Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy

Transkript

1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy Doc. Ing. Jaromír Hubálek, PhD. Ing. Jana Drbohlavová, Ph.D. Ing. Jan Prášek, Ph.D. Ing. Petra Bušinová Dr. techn. Ing. Mária Bendová Brno 2012

2

3 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 3 Obsah 1 ÚVOD ÚVOD DO SENZOROVÉ TECHNIKY ZÁKLADNÍ POJMY GENERACE SENZORŮ OBECNÉ ROZDĚLENÍ SENZORŮ ZÁKLADNÍ PARAMETRY SENZORŮ Statické vlastnosti senzorů Dynamické vlastnosti senzorů Ostatní vlastnosti senzorů ZÁKLADY MIKROELEKTRONICKÝCH TECHNOLOGIÍ TECHNOLOGIE VÝROBY MIKROSENZORŮ Vrstvové senzory využívající elektrických prvků Vrstvové senzory využívající jevů v materiálech LITOGRAFIE Fotolitografie Elektronová litografie TECHNOLOGIE TLUSTÝCH VRSTEV Obecně o technologii tlustých vrstev Technologie výroby a používané materiály Tlustovrstvé senzory založené na vlastnostech past TECHNOLOGIE TENKÝCH VRSTEV Naprašování Napařování Chemická depozice z plynné fáze (CVD) Elektrochemická depozice Techniky dip- a spin-coating Technika spray-coating a drop-coating POLOVODIČOVÉ TECHNOLOGIE Epitaxe z molekulárních svazků Izotropní leptání Anizotropní leptání Mikroelektromechanické systémy ODPOROVÉ SENZORY OBECNÉ VLASTNOSTI ODPOROVÝCH SENZORŮ ODPOROVÉ SENZORY KONTAKTOVÉ MĚŘICÍ POTENCIOMETRY ODPOROVÉ TENZOMETRY ODPOROVÉ SENZORY TEPLOTY Odporové kovové snímače teploty Odporové polovodičové snímače teploty Odporové oxidokovové termistory ODPOROVÉ SENZORY VLHKOSTI ODPOROVÉ SENZORY ZÁŘENÍ DALŠÍ ODPOROVÉ SENZORY ELEKTRONICKÉ DETEKTORY PRO ODPOROVÉ SENZORY KAPACITNÍ SENZORY OBECNÉ VLASTNOSTI DIFERENČNÍ KAPACITNÍ SNÍMAČ APLIKACE MEMS snímač polohy Kapacitní senzor teploty... 62

4 4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Kapacitní senzor vlhkosti Senzor otisku prstů ELEKTRONICKÉ DETEKTORY Můstkový vyvážený obvod Nábojově vyvážený SC-oscilátor Obecné rozhraní pro kapacitní senzory Aktivní stínění INDUKČNOSTNÍ SENZORY OBECNÉ VLASTNOSTI GENERÁTOROVÉ SENZORY TERMOELEKTRICKÝ ČLÁNEK Obecné vlastnosti termoelektrických článků Tenkovrstvé termočlánky Tlustovrstvé termočlánky PIEZOELEKTRICKÉ SENZORY Piezoelektrický jev Náhradní elektrické schéma, materiály a využití piezoelektrických senzorů INDUKČNÍ SENZORY Elektromagnetické senzory Elektrodynamické senzory POLOVODIČOVÉ SENZORY TEPLOTNÍ ZÁVISLOST VLASTNÍHO A NEVLASTNÍHO POLOVODIČE TEPLOTNÍ ZÁVISLOST PN PŘECHODU PIEZOODPOROVÝ JEV V POLOVODIČÍCH FOTONOVÉ JEVY V POLOVODIČÍCH RADIAČNÍ JEVY V POLOVODIČÍCH Neionizující elektromagnetické záření Ionizující elektromagnetické záření MAGNETOELEKTRICKÉ JEVY V POLOVODIČÍCH OPTOELEKTRONICKÉ SENZORY OPTOELEKTRONICKÉ SENZORY SENZORY S CCD PRVKY SPECIÁLNÍ DRUHY SENZORŮ HALLOVY SENZORY Hallův jev v senzorech polohy Hallův jev v proudových snímačích CHEMICKÉ SENZORY ELEKTROCHEMICKÉ SENZORY S PŘÍMÝM PŘEVODEM Impedimetrické senzory Polarografické senzory Voltametrické senzory Amperometrické senzory Potenciometrické senzory ELEKTROCHEMICKÉ SENZORY S NEPŘÍMÝM PŘEVODEM GRAVIMETRICKÉ CHEMICKÉ SENZORY TEPLOTNÍ CHEMICKÉ SENZORY OPTICKÉ CHEMICKÉ SENZORY FLUORESCENČNÍ CHEMICKÉ SENZORY BIOSENZORY SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM ZKRATEK SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK

5 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 5 1 Úvod Neustálou snahou člověka je poznání různých přírodních, fyzikálních, chemických a dalších zákonitostí. Na základě získaných výsledků dochází ke zpřesňování a zkvalitňování výrobních technologií. Nejprudší vývoj probíhá za několik posledních desetiletí na poli mikroelektroniky a s ní spojených technologií, která dnes ovlivňuje všechny další vědní obory a pomáhá člověku svými principy, technologiemi a aplikacemi k dalšímu poznávání okolního světa. Ke zjišťování informací o stavu okolního světa byly stanoveny člověkem různé fyzikální a chemické veličiny a jednotky (geometrické, mechanické, tepelné, chemické, biologické, pro měření elektrostatických a magnetických polí, intenzit záření, apod.). Významné postavení při jejich získávání a dalším zpracování má senzorová technika. Vývoj senzorové techniky je ovlivněn výrazným způsobem vývojem mikroelektronických technologií, protože trendem je vše miniaturizovat a integrovat do každého elektronického systému. Senzory se velmi rychle dostaly do podvědomí lidí díky technologiím, jimiž je dnes vybaveno každé zařízení pro osobní potřebu. Nejvíce senzory pronikly do automobilového průmyslu a jsou součástí většiny dnes vyráběných elektronických zařízení od počítačů, přes televize až po pračky. To co byla dříve veliká skříň, je dnes v podobě čipu integrováno např. do mobilního telefonu. Vzhledem k poměrně dlouhé době, kdy je slovo senzor skloňováno ve všech pádech, převzaté a počeštěné, si dnes díky výrobcům každý umí představit, o co se jedná a ví, co od něj očekávat. Dříve se využívalo slovo čidlo, ale tento pojem patří spíše do slangového žargonu odborníků a není považován za správný odborný termín. Uživatelé se díky producentům setkávají především s pojmy jako senzor a snímač, mezi nimiž je vnímán rozdíl. Zákazník vychovávaný výrobci a jejich reklamním marketingem požaduje, aby toto zařízení změřilo potřebnou veličinu, zpracovalo a podalo tuto informaci uživateli bez nutnosti jeho zásahu a ve srozumitelné formě. Uživatel už nepotřebuje základní fyzikální či elektrotechnické vzdělání, aby jednoduchým měřákem snímal danou veličinu přes potřebný snímač a ze zjištěného signálu v podobě napětí nebo proudu si vypočítal hodnotu a jednotku změřené veličiny. Technologie navíc umožňují i velmi snadnou a rychlou instalaci. Data se pak přenášejí buďto pomocí bezdrátových technologií nebo přímo Ethernet připojením do internetové sítě či elektronického zařízení, kde aplikace zobrazí všechny změřené údaje v požadovaném formátu. Automaticky může hlásit varování nebo havarijní stav. Senzorový systém se umí i sám kalibrovat nebo diagnostikovat chybu ve své funkci. Cílem této publikace je seznámit čtenáře se základními užívanými principy snímání veličin, technologiemi přípravy a způsoby konstrukce citlivých částí senzorů, metodami měření a rozdíly mezi jednotlivými druhy senzorů z pohledu převodu veličin. Text obsahuje ucelený přehled na senzory a jejich miniaturizace, ale neklade si za cíl podat vyčerpávající informace o dané problematice. Při pochopení čtené problematiky dostane čtenář přehled, který mu usnadní lépe se orientovat v dané problematice jak z pohledu principu a jejich možného použití, tak z pohledu technologických možností a vlivu miniaturizace na vlastnosti senzoru.

6 6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 2 Úvod do senzorové techniky 2.1 Základní pojmy Když vyhledáme slovo senzor v naučném slovníku, najdeme často stručné vysvětlení: zařízení k přeměně fyzikální veličiny v elektrický signál, některá literatura používá termín převodník, snímač nebo výstižnější vysvětlení: snímač popudů, tedy zařízení, jímž se libovolná fyzikální veličina snímá a transformuje na veličinu jinou, snáze měřitelnou (obvykle elektrickou) [1]. Slovo senzor je odvozeno z latiny a znamená citlivý. Zjednodušeně lze tedy senzor chápat jako zařízení citlivé na podnět, stav nebo prostředí (měřenou veličinu) a dále převádějící podnět na výslednou odezvu nebo informaci (výstupní veličinu). Definice pojmu senzor však zatím nejsou ustálené; určité zobecnění tohoto pojmu lze vyjádřit následujícím způsobem: Senzor je zařízení, které snímá sledovanou fyzikální, chemickou nebo biologickou veličinu a dle určitého definovaného principu ji transformuje fyzikálním převodem na veličinu výstupní, často elektricky kvantitativní. Stav sledované veličiny snímá citlivá část senzoru označovaná jako snímač či převodník (v angl. sensing element nebo transducer), jehož výstupem je změna měřené fyzikální veličiny, kterou dále převádí a zpracovává vyhodnocovací obvod senzoru. Výstupní informací z vyhodnocovacího obvodu senzoru je kvantitativní, obvykle elektrický signál, který je vytvořen elektronickým detektorem a lze ho dále zpracovat dalšími obvody, viz Obr Snahou je, aby senzor poskytoval přímo informaci o měřené veličině, nejlépe v požadovaných jednotkách, na kterou musí být kalibrován a pracoval autonomně bez potřeby obsluhy. Obr. 2.1: Schematické znázornění senzoru Senzor může být konstruován na různých úrovních složitosti, jak ukazuje Obr Výstupní veličina snímače je zpravidla neelektrická (např. mechanický pohyb) a může být u složitějších senzorů ještě několikrát transformována na jiné neelektrické veličiny převodníkem. Výstupní signál převodníku je zesílen v analogovém zesilovači na signál vhodný pro další zpracování. Zesilovač musí zajistit dostatečný odstup signálu od šumu senzoru a zesilovače a od dalších parazitních vlivů působících na senzor a zesilovač (rušení elektrickým a magnetickým polem, působením zemních smyček, apod.). Pro dodržení těchto požadavků se konstruují speciální zapojení zesilovačů a realizují se frekvenční omezení signálu, modulace signálu s následnou synchronní demodulací, číslicové zpracování signálu, aj.

7 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 7 Inteligentní senzor Senzor s digitálním zpracováním Senzor s elektronickým detektorem Snímač převodník Podnět, stav prostředí (měřená veličina) Převod neelektrická veličina/ elektrická veličina Analogové vyhodnocení signálu A/D převodník Mikroprocesorové řízení, diagnostika, kalibrace, DSP Signál ke sběrnici (výstupní veličina) Obr. 2.2: Vývoj senzorů a jejich názvy vyjadřující nárůst jejich složitosti Následuje zpracování signálu buď analogovými obvody, nebo převod na digitální signál a zpracování pomocí číslicové techniky. To náleží mezi základní výhody převodu neelektrické veličiny na veličinu elektrickou, protože signály lze dále matematicky zpracovávat (sčítat, odčítat, násobit, dělit, derivovat, integrovat, atd.) a provádět s nimi signálové operace (autokalibrace, analogová nebo číslicová filtrace, frekvenční analýza, aj.). Mezi výhody patří větší přesnost a citlivost, možnost dálkového měření, větší rychlost měření, možnost měření na velkém počtu míst, aj. Výstupní číslicový signál z měřicího řetězce může být zpracován v rozšiřující části (Obr. 2.3) buď číslicovým měřicím přístrojem pro zpracování dat, nebo zvoleným komunikačním rozhraním. Podle evropského doporučení CCITT (Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique) a amerického doporučení EIA (Electronic Industries Association) se nejčastěji používá u senzorů rozhraní se sériovým přenosem dat RS-232-C a RS-485. U rozhraní RS-232-C jsou použity pro obousměrný provoz tři a více vodičů a rychlost přenosu dat je 20 kbitů/s na vzdálenost 15 m. U výhodnějšího rozhraní RS-485 postačí kroucená stíněná dvojlinka. Rychlost přenosu je 20 Mbitů/s a maximální vzdálenost je 1200 m. Další výhodou tohoto rozhraní je symetrický vstup, který potlačuje rušivé signály a potřebuje jediné napájení +5 V. Pro rychlejší přenos dat na krátké vzdálenosti lze použít rozhraní s paralelním přenosem dat. Pro náročnější měření nebo specifické podmínky se používají speciální sběrnice např. HPIB, CAN. Pro senzorovou techniku je stanovena norma IEEE 1451, IEEE 1452, jež definuje protokol pro komunikaci po jakékoliv sběrnici. Dále se využívá protokol HART a lze se setkat s připojením senzorů přes sběrnice USB a Ethernet. SENZOR Rozšiřující část Podnět, prostředí, stav Snímací převodník (snímač) Elektronický detektor, filtr, zesilovač, DSP Další obvody, komunikace Vizualizace dat Obr. 2.3: Schematické znázornění rozšíření senzoru Analogový výstup je nejčastěji připojen na přímo ukazující analogový přístroj nebo zapisovač, nebo je upraven pro přenos signálu do dalších obvodů elektrickou, optickou nebo jinou cestou. Pro přenos elektrickou cestou je signál upraven modulátorem nebo blokem unifikace signálu. Unifikace analogových signálů je standardizována nejčastěji na hodnoty 0 10 V, 0 20 ma, a 4 20 ma.

8 8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Mezi další základní pojmy senzorové techniky patří: Senzorová pole jsou integrované senzory složené ze stejných nebo podobných senzorových struktur se stejnou nebo podobnou funkcí, často stačí, aby pole bylo tvořeno jen citlivými převodníky, elektronika může být společná (např. senzory DNA sekvencí, každý jednotlivý senzor snímá jinou sekvenci DNA, ale svou strukturou, principem jsou stejné, liší se pouze v jednom použitém materiálu v sensitivní části). Multisenzor se skládá z několika samostatných senzorů se stejnou nebo podobnou funkcí. Nejde o pole, ale několik nezávislých senzorů třeba i různého designu a velikosti připravených jinými technikami nebo materiály v oblasti sensitivní, nicméně všechny detekují na stejném nebo podobném principu. Většinou jde o jeden typ převodníku, např. senzory plynů, kde může být senzor vlhkosti, senzor metanu, senzor CO. Každý detekuje plyn, ale každý je založen na jiné citlivé části i materiálu, některé jsou vyhřívané, jiné třeba polymerní, ale všechny jsou odporové nebo kapacitní, určené pro měření tlaku, zrychlení, směru pohybu. Senzory nemusejí být integrovány stejnou technologií. Multifunkční senzor je jednoduchý integrovaný senzor, který může realizovat několik rozdílných snímacích funkcí za různých podmínek. V tomto případě jde o různé designy, velikosti i principy (tlak, teplota, zrychlení, apod.), ale je využito jedné technologie, tj. realizace třeba na čipu. Inteligentní senzor je zařízení, které v sobě obsahuje citlivou část (snímač) a obvody pro převod, úpravu, autokalibraci, autodiagnostiku, řízení a komunikaci s dalšími zařízeními v jediném celku, jak je ukázáno na Obr Míra inteligence je u těchto senzorů definována různě. Z výše uvedené charakteristiky inteligentního senzoru lze rozdělit strukturu senzoru na vstupní, výstupní a vnitřní část, a definovat funkce a požadavky na tyto části: o Vstupní část Slouží k převodu měřené veličiny na veličinu elektrickou. Dále k zesílení a filtraci elektrické veličiny, linearizaci statické charakteristiky, normování signálu, přepínání více vstupních veličin, ochraně proti nežádoucím vlivům, atd. o Výstupní část Slouží ke komunikaci senzoru s okolím pomocí sběrnice prostřednictvím integrovaného rozhraní, ujednocení výstupních analogových signálů, apod. o Vnitřní část Slouží k autokalibraci elektrické a neelektrické části (pokud je to možné), číslicové linearizaci, autodiagnostice, statistickému vyhodnocování měřených dat, hlídání mezí, řízení přepínání měřicích rozsahů (zesílení), atd. Obecně lze za inteligentní senzor označit i senzor s citlivou částí oddělenou od mikroelektronické části, pokud je její vzdálenost od snímače minimální a bude tvořit se snímačem jediný mechanicky, elektricky a funkčně uzavřený celek. Citlivá část je s mikroelektronickou spojena nejčastěji elektricky nebo opticky. Příkladem použití této varianty jsou případy, kdy snímač nelze vyrobit mikroelektronickou technologií nebo je vystaven extrémním podmínkám (teplota, tlak, chemická agresivita, aj.), které by mohly poškodit nebo ovlivnit správnou funkci mikroelektronické části. Pro využití běžných senzorů v systémech pro automatizované zpracování dat jsou navrhovány a vyráběny tzv. inteligentní senzorové moduly. Moduly s připojenými běžnými senzory jsou funkčně srovnatelné s inteligentními senzory na nejvyšší úrovni, tzn., mají více přepínatelných vstupů, programovatelné zesílení, řízení a rozhraní umožňující komunikaci s dalšími moduly.

9 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 9 vstupní část vnitřní část výstupní část SENZOR Podnět, prostředí, stav Převodník, detektor, zesilovač Rozsahy, autokalibrace, autodiagnostika Komunikace Vizualizace dat Obr. 2.4: Inteligentní senzor SMART senzor je výhradně integrovaný senzor, jehož základní části převodník a detektor jsou realizovány jednou technologií. Jedná se tedy o jednočipový senzor. Velmi často jsou SMART senzory nesprávně nazývány mikroelektromechanické systémy označované zkratkou MEMS, přestože se jedná jen o snímací část, tedy neobsahují převod na elektrickou veličinu (proud nebo napětí). Tyto systémy se realizují obvykle stejnými technikami jako při výrobě polovodičových součástek. Proto jsou MEMS kompatibilní s integrovanými obvody a umožňují vytvářet jednočipové SMART senzory, což přináší řadu nových možností v konstrukci senzorů. 2.2 Generace senzorů V souvislosti s rozvojem senzorové techniky lze rozpoznat následující tři generace senzorů: První generace senzorů (též základní) využívá různé makroskopické principy elektromechanické nebo mechanické. Patří sem senzory odporové kontaktové, kapacitní, apod. Měřicí vlastnosti této generace senzorů dosáhly v minulosti svého vrcholu, který byl překonán až nástupem integrovaných pokročilých technologií. Druhá generace senzorů využívá elektronické jevy v tuhých látkách (např. piezoelektrický jev, magnetostrikční jev, fotoelektrický jev, apod.) a v plynech (např. nárazová ionizace). Významnou skupinu této generace tvoří polovodičové senzory. Třetí generace senzorů využívá působení neelektrické veličiny na svazek světelného záření. Tato generace senzorů je označována zkratkou OVS (Optické Vláknové Senzory). Při jejich konstrukci se využívají principy optoelektroniky a integrované optiky. V posledních letech jsou všechny tři generace rozvíjeny díky technologiím miniaturizace. Díky technikám tzv. mikroobrábění (micromachining) se vytvářejí systémy MEMS. Využívá se pro konstrukci senzorů první, druhé a dokonce i třetí generace. 2.3 Obecné rozdělení senzorů Obecně existuje mnoho hledisek, podle nichž lze senzory rozdělovat do různých skupin a kategorií. Nejpoužívanější rozdělení vychází z představy, že senzor lze chápat jako převodník mezi podnětem vyjádřeným měřenou (snímanou) veličinou a výstupní (naměřenou) veličinou. Z této představy plynou následující dělení: Dělení podle převodu neelektrické veličiny Senzory jsou rozděleny podle složitosti převodu měřené veličiny na veličinu výstupní. Rozlišujeme senzory:

10 10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně o o senzory s jednoduchým převodem měřená veličina se mění přímo na veličinu výstupní (pouze fyzikální převodníky), senzory s několikanásobným převodem měřená veličina se mění nejprve na jinou veličinu a tato se mění dále na veličinu výstupní (převod může být i mnohonásobný chemické senzory a biosenzory). Dělení podle principu převodu Senzory jsou rozděleny podle principu převodu měřené veličiny na veličinu výstupní. Rozdělujeme senzory s: o fyzikálním převodem převod je realizován zvoleným fyzikálním dějem. Jedná se například o převod mechanickoelektrický a jevy termorezistivní, termoelektrický, pyroelektrický, piezoelektrický, piezorezistivní, Hallův jev, magnetorezistivní, magnetostrikční, magnetoanizotropní, vnitřní a vnější fotoelektrický jev, atd., o chemickým převodem převod je založen na chemické reakci probíhající na rozhraní analyt-senzor (adsorpce, absorpce, redukce, oxidace, atd.), o biochemickým převodem tvoří samostatnou část chemických senzorů, ke své činnosti využívají biologicky aktivní látky (enzymy, protilátky, atd.). Další klasifikace senzorů se provádí podle různých obecných specifik. Mezi nejznámější rozdělení dále patří: Dle styku senzoru s měřeným prostředím: o dotykové, o bezdotykové, Podle vstupní (měřené) veličiny na senzory: o geometrických veličin (měření polohy, posunutí, atd.), o mechanických veličin (měření rychlosti, akcelerace, síly, tlaku, průtoku, mechanického napětí, atd.), o teplotních veličin (teplota, tepelný tok, atd.), o elektrických a magnetických veličin, o intenzity vyzařování (elektromagnetické, radiační veličiny ve viditelném, infračerveném a jiném spektru, zvukové, atd.), o chemických veličin (koncentrace iontů nebo plynů, ph, iontově selektivní analýza, atd.), o biologických veličin (koncentrace enzymů, DNA analýza, atd.). Podle výstupní veličiny Nejčastěji využívanou výstupní veličinou je elektrický signál (senzory odporové, indukčnostní, kapacitní). Využívá se však i veličin optických (změna barvy nebo jasu), mechanických (posunutí ukazatele), apod. Výstupní signál lze dále rozdělit na analogový a digitální. Podle chování výstupu (též dle transformace signálu) Senzory jsou rozděleny podle toho, chová-li se výstup senzoru jako zátěž s definovanými parametry nebo jako zdroj signálu. Rozlišujeme senzory: o generátorové (též aktivní) působením měřené veličiny se senzor chová jako zdroj energie (nejčastěji elektrické). Příkladem mohou být senzory pracující na principu převodu termoelektrickém (termočlánek), piezoelektrickém, elektro-

11 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 11 o magnetickém indukčním, fotoelektrickém (fotočlánek), elektrochemickém (elektrochemický článek), atd., pasivní působením měřené veličiny se mění některý z parametrů senzoru (často elektrická veličina, např. indukčnost, kapacita, odpor; nebo optická veličina např. změna barvy). Pro další zpracování signálu pomocí elektronických obvodů je nutné veličinu dále transformovat na analogový napěťový nebo proudový signál, přičemž měřicí veličinou je amplituda, kmitočet, fáze aj. U pasivních senzorů je na rozdíl od aktivních senzorů nezbytné napájení pro tuto transformaci. Dělení podle výrobní technologie Senzory jsou rozděleny podle technologie výroby. Náleží sem např. senzory elektromechanické, mechanické, pneumatické, elektrické, elektronické, mikroelektronické (technologie tlustých vrstev, technologie tenkých vrstev, polovodičová technologie), elektrochemické, optoelektronické. V současnosti největší vývoj senzorů je v mikroelektronických technologiích. 2.4 Základní parametry senzorů Při výběru senzoru pro určitou aplikaci stojí návrhář vždy před rozhodnutím vycházejícím z požadavků kladených na konkrétní typ senzoru. Mnohé obecné požadavky jsou protichůdné, a proto je třeba volit kompromis velmi často mezi cenou a přesností. Mezi obecné požadavky na vlastnosti senzorů nejčastěji patří: jednoznačná závislost výstupní veličiny na veličině měřené, velká citlivost senzoru, vhodný průběh základních statických charakteristik, velká přesnost a časová stálost, minimální závislost na vlivech okolního prostředí (mimo vlivů měřených), minimální zatěžování měřeného objektu, vysoká spolehlivost, velmi nízká pořizovací cena a nízké náklady na provoz, jednoduchá obsluha a údržba. Vhodná závislost výstupní veličiny na veličině měřené a vhodný průběh základních charakteristik jsou často rozhodující požadavky návrháře na použitý senzor. Důležité charakteristiky a typické parametry popisující základní statické a dynamické vlastnosti senzoru lze shrnout do následujícího přehledu: a) statické vlastnosti senzoru, b) dynamické vlastnosti senzoru, c) ostatní vlastnosti Statické vlastnosti senzorů Mezi statické vlastnosti senzorů patří: Statická přenosová charakteristika (kalibrační křivka) udává vztah mezi výstupní a měřenou veličinou. Citlivost je definována jako sklon statické přenosové charakteristiky.

12 12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Limit detekce (práh citlivosti, dolní hranice měřicího rozsahu) je nejnižší hodnota měřené veličiny, která může být senzorem detekována. Korekční charakteristika rozdíl mezi naměřenými hodnotami a kalibrační křivkou slouží k určení chyby, odklonu od předpokladu. Plný rozsah (horní hranice měřicího rozsahu) je nejvyšší hodnota měřené veličiny, která může být senzorem detekována. Dynamický rozsah je dán intervalem dolní a horní hranicí měřicího rozsahu, tj. mezi limitem detekce a plným rozsahem. Linearita (též chyba linearity, nelinearita nebo integrální nelinearita) udává maximální odchylku kteréhokoliv kalibračního bodu od odpovídajícího bodu na ideální statické přenosové charakteristice. Hystereze je maximální rozdíl ve výstupu při jakékoliv hodnotě měřeného rozsahu, kdy hodnota je měřena nejdříve při zvyšování a poté při snižování měřené veličiny. Rozlišení (rozlišitelnost) je nejmenší inkrement výstupu senzoru, který senzor zaznamená při změně vstupu. Odpovídá absolutní nebo relativní chybě senzoru. Rychlost odezvy je určována zejména fyzikálními vlastnostmi senzoru (velikost). Závisí na rychlosti působení měřené veličiny na převodník (na elektrickou veličinu) nebo-li na rychlosti přeměny na elektrické veličiny (většinou elektrony). Doba odezvy čas potřebný k dosažení určité velikosti signálu v konečném ustáleném stavu (t ), např. t 95 pro dosažení 95% odezvy. Signál pozadí je signál v základním stavu v nepřítomnosti analyzované látky. Signál pozadí se odečítá od odezvy: signál (skutečná odezva) = signál (měřený) signál (pozadí). Reprodukovatelnost (někdy nazývaná opakovatelnost měření) je dána odchylkou mezi naměřenými hodnotami, které byly měřené při neměnné vstupní veličině a neměnných rušivých vlivech v krátkém časovém sledu. Dlouhodobá stabilita (drift) je podmíněna změnami citlivosti senzoru v čase. Citlivost obvykle klesá, ale může i přechodně vzrůst. Vždy je proto nutné provádět kontrolu citlivosti a případně provést rekalibraci. Selektivita je schopnost senzoru potlačit interference pronikající do odezvy senzoru, tj. odezva by měla být reakce pouze na přítomnost měřené veličiny, ostatní vlivy by se neměly v odezvě projevit. Statické vlastnosti senzoru popisují jeho chování v časově ustáleném stavu (při kvazistacionárních změnách). Nejdůležitější charakteristikou je statická přenosová charakteristika (kalibrační křivka), která udává vztah mezi měřenou veličinou x a výstupní veličinou y. Vztah je popsán funkcí: y f (x) Obecně lze závislost mezi vstupní veličinou x a výstupní veličinou y popsat tvarem: (2.1) 2 n y ( a a x a x... a x x (2.2) n ) kde a 0, a 1, a 2 a n jsou konstanty. Při omezeném počtu členů této rovnice lze například odvodit statické přenosové charakteristiky, viz Obr. 2.5a.

13 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 13 y y y = (a 0 + a 1 x + a 2 x 2 )x y x x K = tg y/x = dy/dx a) b) Obr. 2.5: Příklady statické přenosové charakteristiky: a) ideální tvar charakteristiky, funkce y = a 0 x (černě) a funkce y = (a 0 + a 1 x + a 2 x 2 )x (červeně); b) vyjádření citlivosti podle sklonu charakteristiky Pro statická měření je nejvýhodnější a nejžádanější lineární závislost statické přenosové charakteristiky, která je popsána funkcí: y 0 a x (2.3) Tato statická přenosová charakteristika vyjádřená vztahem na základě exaktního fyzikálního zákonu nebo regresí z experimentálně získaných dat se nazývá kalibrační křivka. S touto charakteristikou souvisí citlivost senzoru K, která je definována sklonem charakteristiky (viz Obr. 2.5b) a v případě ideálního tvaru charakteristiky je rovna konstantě a 0 : y K a 0 (2.4) x Korekční charakteristika se sestavuje z rozdílu hodnot mezi kalibrační křivkou a naměřenými hodnotami. Zobrazuje se jako přímkou spojené body a vyjadřuje absolutní chybu měření pro každý změřený bod. Užívá se ke korekci výsledku (přičtení nebo odečtení) a tím snížení chyby měření. Nemonotónnost korekční křivky může ukazovat náhodnost chyby, což znemožňuje její jednoduché užití při korekci. Limit detekce senzoru (práh citlivosti, dolní hranice měřicího rozsahu) je nejnižší hodnota měřené veličiny, která může být senzorem detekována. Na výstupu senzoru je signál odpovídající střední kvadratické odchylce šumu senzoru. Limit detekce a další statické parametry názorně ukazuje Obr x

14 14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně y y x x a) b) Obr. 2.6: Statické parametry senzorů: a) kalibrační křivka (ideální charakteristika); b) hysterezní křivka Rozlišení (rozlišitelnost) je nejmenší inkrement výstupu senzoru, který senzor vytvoří při změně výstupu. Odpovídá absolutní nebo relativní chybě senzoru. Přesnost snímače vyjadřujeme relativní chybou δ vztaženou k horní hranici měřeného rozsahu (interval přesnosti je ±δ). Je-li rozsah snímače 0 až y max a relativní chyba δ, můžeme rozdělit měřicí rozsah na pásma o šířce: y p 2 x max (2.5) Těchto rozlišitelných pásem je celkem: xmax 1 n (2.6) 2 y p a jsou odděleny úrovněmi o počtu: n n 1 (2.7) Za předpokladu, že měřená veličina se může vyskytnout v libovolném z těchto intervalů se stejnou pravděpodobností, je pravděpodobnost, že měřená veličina bude v určitém intervalu: 1 p (2.8) n Z této úvahy je možné odvodit vztah pro množství informace I, které lze ze senzoru získat: 1 I log 2 (2.9) 2 Množství informace je udáno v binárních jednotkách bitech.

15 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy Dynamické vlastnosti senzorů Mezi dynamické parametry senzorů patří: Přechodová charakteristika je průběh výstupní veličiny v závislosti na čase při skokové změně vstupní veličiny. Frekvenční charakteristika udává závislost přenosu a fázového úhlu na frekvenci, tj. rozdíl amplitudy a fáze výstupního signálu oproti signálu vstupnímu v závislosti na frekvenci. Měřená X(p) a výstupní Y(p) veličina je funkcí času, se kterým se neustále mění. Z tohoto důvodu nestačí zejména u mnoha technologických procesů ke sledování měřené veličiny požadovat pouze statické parametry a charakteristiky. Zvláště snímače zařazené v obvodu regulační smyčky nebo indikující mezní stavy procesu musí být navrženy tak, aby výstupní signál y(t) ze snímače, resp. z následujícího převodníku sledoval s minimálním zkreslením vstupní signál x(t). Dynamické chování senzorů lze ve většině běžných případů popsat lineární diferenciální rovnicí s konstantními koeficienty. Pokud toto zjednodušení nelze provést, je nutno nelineární rovnici po úsecích linearizovat a dynamické chování sledovat v těchto úsecích. Dynamické chování senzoru se v technické praxi vyjadřuje přenosovou funkcí, resp. frekvenční charakteristikou, kterou formálně získáme z přenosové funkce (2.10) dosazením p = jω. Nevhodné dynamické chování členů měřicího řetězce, zejména snímače, lze upravit pomocí korekčních členů. Y( p) (1 pt1 )(1 pt2 )...(1 ptm ) F( p) K (2.10) X ( p) (1 pt )(1 pt )...(1 pt ) 1 Mezi dynamické parametry dále patří parametry časové odezvy, časová konstanta, šíře frekvenčního pásma, frekvenční rozsah, rychlost číslicového přenosu, parametry šumu Ostatní vlastnosti senzorů Mezi další důležité parametry senzoru náleží posun nuly vlivem teplotního, časového, napájecího a jiného driftu, doba života, kvantizační chyba, apod. Hodnoty těchto parametrů mohou limitovat použití senzorů v některých aplikacích, a proto je třeba u každého typu senzoru hodnotit samostatně vhodnost pro danou aplikaci. Na senzor působí mimo měřené veličiny také rušivé vlivy (teplota, tlak, vlhkost, radiace, elektrické a magnetické pole, atd.) projevující se v podobě šumu, které se senzor svými technickými parametry a uspořádáním více či méně snaží minimalizovat. Způsobů a metod potlačení těchto vlivů je řada. Často se používají vhodná obvodová řešení, mezi ně náleží např. metoda kompenzace, stínění, diferenční metoda, metoda zpětnovazební, metoda sériového zapojení linearizačního členu, metoda filtrace, aj. 2 n

16 16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 3 Základy mikroelektronických technologií 3.1 Technologie výroby mikrosenzorů Základem mnoha senzorových systémů byly v počátcích rozvoje senzorové techniky mechanické, mechanicko-elektrické a fotoelektrické systémy. Tvoří skupinu klasických prvků staré generace. Tyto senzory jsou vyráběny v menších sériích, jsou robustní, drahé, ale lze je vyrobit velmi přesně a kvalitně. Tato skupina byla později miniaturizována pomocí technologií známých z výroby integrovaných obvodů. Skupina miniaturizovaných senzorů byla rozšířena o senzory, které jinými než mikroelektronickými technologiemi vyrobit nelze (např. senzory, které pracují na principech jevů v polovodičích jako je Hallův jev, aj.). Obecně lze pod pojem mikroelektronické technologie nebo mikrotechnologie zahrnout oblast návrhu, konstrukčního řešení, výrobních procesů a použitých materiálů pro výrobu mikrosoučástek a čipů. V užším významu jsou pod pojmem mikroelektronické technologie chápány výrobní procesy a technologie výroby mikroelektronických zařízení. Tohoto významu bude dále použito v této učebnici. Mikroelektronické technologie lze rozdělit na polovodičové a vrstvové, které se dále dělí na technologii tlustých vrstev a technologii tenkých vrstev. Polovodičové (monolitické) senzory se vyrábějí běžnými postupy používanými při výrobě integrovaných obvodů na substrátu monokrystalického křemíku. Základem je tzv. polovodičová (PV) technologie, jejímiž základními technikami je vytváření polovodičových přechodů, jejímž základem je difúze příměsí, implantace a epitaxní růst. Nedělitelnou součástí je tenkovrstvá technologie, která umožňuje vytvářet sendvičové struktury. Bez litografie se neobejde žádná mikrotechnologie a slouží pro přenos topografie. Polovodičová technologie slouží k vytváření součástek s PN přechody jako je dioda, tranzistor, ale i kapacitor, rezistor a jejich modifikací. Rozlišují se především bipolární a MOS technologie z níž je nejpoužívanější CMOS. V současné době je nejrozšířenější křemíková (Si) technologie a méně se pak využívá GaAs technologie, která je vhodná pro aplikace nad 150 C. Tenkovrstvá technologie při výrobě senzorů spočívá ve vytváření monokrystalických, polykrystalických i amorfních vrstev křemíku, izolantů, kovů a jiných polovodičů o tloušťce 1 nm až 1 μm. Vrstvy kovů a některých jejich oxidů se nanášejí nejčastěji vakuovým nebo katodovým napařováním na základní vrstvu ze skla, oceli, křemíku nebo umělé hmoty. Fotolitografií a selektivním leptáním nebo depozicí materiálu se vytvářejí prvky pasivní sítě obvodu senzoru. Selektivní leptání umožňuje selektivně odstranit pouze jeden materiál ze struktury a ostatní zůstanou téměř neporušené. Vrstvy oxidů lze vytvářet i oxidací kovů. Technologie tenkých vrstev zajišťuje u senzorů vysokou přesnost (nastavování laserovým paprskem), stabilitu, malou časovou konstantu, spolehlivost, malé rozměry a hmotnost a relativně levnou sériovou výrobu s možnou integrací s křemíkovými IO. Tlustovrstvá technologie využívá při výrobě vodičů, rezistorů, kapacitorů a speciálních senzorových součástek pasty vhodného složení, které se postupně přes síta nanášejí na keramickou nebo umělohmotnou vrstvu, a pak se suší a vypalují. Podobně jako u tenkovrstvé technologie lze takto vyrobené senzory doplňovat integrovanými obvody, a to zapouzdřenými nebo ve formě čipu. Integrované senzory umožňují podstatné zmenšení rozměrů, a tím dochází kromě minimalizace parazitních impedancí a šumů k nárůstu

17 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 17 rychlosti zpracování signálu, možnosti bezchybné výměny senzorů a snížení výrobních nákladů. Integrace může být rozšířena o integrovanou optiku, u níž jsou zdroje a detektory záření včetně zesilovačů a dalších obvodů na jediném čipu s optickými součástkami (vazebními členy, modulátory). Integrovanou optikou lze dosáhnout spolehlivého přenosu vláknovými vlnovody (tj. optickými kabely) a na její bázi je založen vývoj a výroba optoelektronických senzorů a optických vláknových senzorů Vrstvové senzory využívající elektrických prvků Mezi nejrozšířenější a snadno realizovatelné tlustovrstvé (dnes už i tenkovrstvé) senzory patří senzory založené na změně elektrické veličiny některého prvku v elektrickém obvodu. U obvodových prvků se využívá přímé změny parametrů jako odporu, kapacity, proudu, napětí a dalších elektrických veličin na měřené veličině. Tyto senzory lze zařadit do I. generace senzorů. Protože se nevyužívá vlastností past (ať speciálních nebo běžných) a k výrobě se tedy používají pouze běžné pasty, jsou tyto senzory levné. Z pohledu obvodového řešení však bývají náročnější. Senzory nachází uplatnění nejčastěji v oblasti měření tlaku, teploty, zrychlení, apod. Příkladem využití obvodového principu je kapacitní senzor (Obr. 3.1). Jedna elektroda je jako membrána vytvořena na Si substrátu a druhá, která již není vytvořena touto technologií, je na nosné desce (substrátu) umístěna v definované vzdálenosti od membrány. Změna vzdálenosti, způsobená pohybem nebo průhybem membrány vyvolá změnu kapacity, jež je úměrná příčině této změny. Obr. 3.1: Kapacitní senzor Použije-li se jako dielektrikum pórovitý materiál, dochází vlivem přítomnosti určité látky v pórech ke změně relativní permitivity dielektrika a kapacitní senzor lze využít pro měření vlhkosti. Výhodou jsou nízké náklady, spolehlivost a odolnost. Dalším příkladem senzoru využívajícího změny parametrů obvodu je jednoduchý odporový snímač polohy Obr Je tvořen odporovou vrstvou s vývody, po níž se pohybuje běžec s vývodem, který je vhodným způsobem upevněn na sledované těleso. Odpor mezi vývodem běžce a jedním z vývodů je funkcí vzdálenosti běžce od vývodu odporové vrstvy. Jestliže je odporová vrstva ve tvaru části mezikruží lze sledovat úhlové natočení tělesa (Obr. 4.6). Odporový senzor není využíván jen pro měření polohy samotné, ale po vhodném převodu sledované veličiny na polohu i k měření rychlosti, akcelerace, tlaku, teploty aj. Postup realizace vrstvového rezistoru je na Obr Hodnoty rezistorů se navrhují podle hodnoty stanovené na čtverec, tj. odpor na čtverec se vypočte podle měrného odporu deponovaného materiálu a jeho tloušťky: R [Ω/ ] (3.1)

18 18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 3.2: Postup vrstvení rezistoru Potvrzuje se, že určujícím parametrem pro vytvoření přesného odporu je tloušťka materiálu. Protože pracujeme s tloušťkami v řádu několika desítek či stovek nm a víme, že technologické vybavení umožňuje poměrně velkou odchylku od požadované tloušťky, je zřejmé, proč je tak obtížné vyrobit přesný odpor tenkovrstvou technologií. Je zřejmé, že nezáleží na velikosti čtverce, hodnotu celkového odporu určuje počet čtverců v sérii. Tento počet je dán návrhářským parametrem, který je poměrem délky rezistoru k jeho šířce: R = R [Ω] (3.2) Obdobný postup je i v případě realizace kondenzátoru (Obr. 3.3). Tento postup je širší o jednu masku. Kapacita na čtverec se počítá opět z materiálové konstanty, zde permitivita násobená konstantou, a z technologického parametru, jímž je tloušťka vrstvy dielektrika: C = [pf/ ] (3.3) Celková kapacita pak závisí na celkové ploše elektrody: C = C [pf] (3.4) Vrstvové senzory využívající jevů v materiálech Jedná se o skupinu senzorů založených na jevech v materiálech a spadají tedy do II. generace senzorů. Fyzikální převodník senzoru je tedy tvořen citlivým materiálem (piezokeramika, polovodič pro fotovoltaický článek, Hallovu sondu nebo magnetodiodu, atd.) nebo je na fyzikálním převodníku nanesena citlivá vrstva (polovodivé oxidy kovů,

19 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 19 enzymová vrstva, apod.) jako je běžné u chemických senzorů a biosenzorů v případě vícenásobného převodu měřené veličiny. 1 2 maska 3 substrát kontakt (elektroda) 4 maska b a 5 dielektrická vrstva 6 maska 7 kontakt (2 elektroda) Obr. 3.3: Postup vrstvení kondenzátoru 3.2 Litografie Litografie je technologie pro přenos topografie návrhu do materiálu. Je to technologický postup, který umožňuje tvarovat vrstvy na substrátu do příslušných obrazců. Postup se skládá ze dvou procesů maskování pomocí fotorezistů a chemického leptání tenkých vrstev nebo jejich depozicí. Fotorezist se exponuje přes fotomatrici pomocí elektromagnetického záření (např. UV curing) nebo paprskem elektronů (např. e-beam lithography), účinkem kterých dochází u fotorezistu ke změnám jeho rozpustnosti v určitých vývojkách. Po vyvolání rezistu a jeho vytvrzení následuje leptání materiálu pod ním. Proces může být i obrácen. Nejprve je nanesen rezist, pak je exponován přes masku, vyvolán a teprve poté je deponována vrstva požadovaného materiálu. Po odstranění rezistu zůstane pouze materiál deponovaný na místa, kde rezist byl ve vývojce odstraněn (lift-off proces).

20 20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Litografie je potřeba pro všechny technologie: tlustovrstvé pro výrobu sít, tenkovrstvé pro leptání a depozici kovových a dielektrických vrstev i pro polovodičové pro výrobu procesní masky do SiO Fotolitografie U fotolitografie je motiv přenášen přímým osvitem přes masku. Slouží tedy pro přenos motivu z předem připravené masky na desku s vrstvou rezistu. K osvitu se obvykle využívá zdroj UV světla. Podle vlnové délky záření lze dělit zdroje UV na měkké, tvrdé a extrémně tvrdé, kde je vlnová délka záření již pod 200 nm. Fotolitografie je buďto dotyková (maska je přiložena na rezist desky) nebo bezdotyková. U bezdotykové projekce lze využít soustavu čoček a tím dosáhnout větších rozlišení v porovnání s maskou. Navíc může být kroková, takže na masce je třeba jen jeden čip a postupně dochází k posunu masky, až je i poslední čip na desce exponován Elektronová litografie Význam elektronové litografie spočívá především v možnosti realizovat struktury submikrometrových a nanometrových rozměrů, zejména použitím elektronové litografie s vektorovým vychylováním, tj. postupným vykreslováním motivu stopou elektronového svazku. Má některé specifické vlastnosti, které je možno charakterizovat takto: Informace o topografii masky, která má být realizována, je připravována nejčastěji ve formě digitálního záznamu, ne masky. Syntéza funkčních celků a zavádění změn a úprav jsou proto značně usnadněny. Informace v této formě je odolná proti poškození. Expozice přímo na substrát umožňuje v relativně krátké době vyvinout funkčně nový obvod nebo ověřit novou technologii. Umožňuje vytvořit fotolitografickou předlohu s vysokým stupněm koncentrace funkčních prvků pro různé druhy projekční litografie. Nevýhodou elektronové litografie je relativně vysoká cena zařízení a časová náročnost procesu, takže se pro přímé expozice na substrát hodí jen v případech zvlášť složitých a náročných obvodů prototypů. Inspiračním zdrojem pro konstrukci elektronového litografu byl rastrovací elektronový mikroskop. Zaostřený elektronový svazek s kruhovým průřezem je vychylován pomocí magnetických nebo elektrostatických polí tak, aby byla vytvořena potřebná topografie masky. Je zřejmé, že pro vytvoření zvlášť složité kresby je zapotřebí mimořádně velkého množství informací. Značnou úsporu informací umožňuje použití svazku se čtvercovým průřezem, další zlepšení představuje použití svazku s proměnným průřezem. Elektronová litografie spočívá v přenosu obrazové informace pomocí urychlených elektronů. Existuje více principů přenosu informace a podle toho se dělí i elektronové litografie (zobrazování pomocí masky, přímé zobrazování elektronové). Princip je založen na interakci elektronového svazku a vhodné látky, citlivé na ozáření elektrony elektronového rezistu. Z technik elektronové litografie přímého zobrazování je nejperspektivnější a kvalitativně nejlepší způsob generování obrazců topologie pomocí tvarovaného svazku elektronů proměnných rozměrů. Elektronový litograf je velmi složité zařízení (viz Obr. 3.4) po stránce fyzikální, ale i po stránce elektronických funkcí dílčích systémů, zvlášť proto, že měřítkem výsledné činnosti je rozměrová přesnost exponovaných detailů i jejich polohová přesnost 0,1 m a menší.

21 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 21 Obr. 3.4: Modernizovaný český elektronový litograf na Ústavu přístrojové techniky AVČR 3.3 Technologie tlustých vrstev Obecně o technologii tlustých vrstev Vrstvové technologie, a to jak technologie tlustých vrstev (dále TLV technologie), tak i technologie tenkých vrstev (dále TNV technologie), byly z počátku využívány při výrobě hybridních integrovaných obvodů. TLV technologie sloužila k vytváření pasivních sítí, vodivých cest, odporů a kondenzátorů v hybridních integrovaných obvodech (HIO). Byla využívána zejména pro výrobu speciálních integrovaných obvodů, prototypů a malých sérií v aplikacích, kde nebylo možné použít monolitické integrované obvody. Důvodem použití byl relativně levný, nevakuový způsob vytváření vrstev specifických vlastností. Mezi další výhody TLV technologie patří její snadná kombinace s elektronickými součástkami nebo obvody, dobré elektrické a mechanické vlastnosti, snadný způsob výroby a jiné. Z důvodu pokračující integrace na polovodičových čipech a rozšíření aplikačních možností v důsledku nových technologií došlo ke změně orientace vrstvových technologií na využití ve speciálních a nekonvenčních aplikacích. Je to např. oblast vojenských aplikací, dále oblast aplikací vyžadujících vysokou spolehlivost, dlouhou životnost nebo netradiční provedení, viz Obr TLV technologie vychází z tiskařské techniky používané pro různé tiskařské aplikace, aplikace v užitném umění, v návrhářství, apod. Proto se v těchto oborech objevuje také ve spojení s elektronikou např. při návrhu osvětlení, aj. V oblasti elektroniky jsou pod pojmem nekonvenční (netradiční) aplikace tlustých vrstev označovány aplikace, které se odlišují od klasického pojetí s obvodovými prvky. Vychází z různých principů založených na fyzikálních a chemických jevech, při jejichž využívání jsou aplikovány tlustovrstvé materiály. Pod pojmem klasické TLV aplikace jsou obecně chápány elektrické obvody vytvořené TLV technologií, které mají jednoznačný elektrický model. Naproti tomu obvody, ve kterých je využit takový děj (fyzikální, chemický, ), při němž je signál šířen jinou cestou než elektrickou, jsou obecně řazeny do

22 22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně oblasti nekonvenčních aplikací tlustých vrstev. Pole nekonvenčních aplikací se v současnosti velmi rychle rozšiřuje a vyvíjí. Důsledkem tohoto vývoje je neustálý nárůst nových aplikací (např. TLV pojistky, apod.), které leží na rozhraní klasických a nekonvenčních aplikací. Tak dochází k situaci, kdy přestává existovat jednoznačně vymezená hranice daná výše uvedenou definicí. Mezi nejvýznamnější využití tlustých vrstev v oblasti nekonvenčních aplikací lze v současnosti zahrnout oblast optických displejů, topných elementů, solárních článků, antén pro čipové karty, vysokonapěťové izolace, rychlých TLV pojistek, vysokoteplotních supravodičů, piezoreproduktorů a hlavně senzorů. a) b) Obr. 3.5: Využití TLV technologie v netradičních aplikacích (podle DuPont [3]): a) při výrobě topných součástí zařízení; b) ve zdravotnictví jednorázové stříbrochloridové elektrody pro elektrokardiografy, elektromyografy a elektroencefalografy TLV senzory mají výhody výrobní technologie snadná výroba, vysoká mechanická, chemická a elektrická odolnost, snadná návaznost na další obvody a zejména nízká cena. Mimo samotného senzoru mohou plnit části vyrobené TLV technologií ještě další důležité funkce. Jedná se o topné elementy, kontaktní plošky pro pájení, pasivní a vodivé sítě, atd. V prostředí s nečistotami mohou být použity krycí pasty pro ochranné účely. Na substrátu mohou být vyrobeny mimo vlastního senzoru také obvody pro zpracování signálu ze senzoru. U TLV senzorů lze nalézt dělení podle základního funkčního principu (též dělení podle typu past). Toto členění vychází z volby a také z dostupnosti past použitých při výrobě TLV senzorů. TLV senzory rozlišujeme na: senzory založené na obvodovém principu využívá se změn parametrů elektrického prvku v obvodu (zejména kapacity a odporu), který je vytvořen pouze z běžných past (vodivá, odporová, dielektrická), senzory založené na vlastnostech past využívá se změn parametrů elektrického prvku v obvodu, který je tvořen mimo běžných past také pastou speciální (termorezistivní, piezorezistivní, enzymové, atd.) nebo pastou standardní, která je výrazně citlivá na snímanou veličinu Technologie výroby a používané materiály U TLV technologie je nejběžněji používanou technologií výroby sítotisk, za kterým následuje výpal, resp. vytvrzení vrstev za zvýšené teploty. Sítotisk je nenáročný, nevakuový způsob nanášení tixotropních materiálů. Jednotlivé vrstvy se vytvářejí tiskem

23 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 23 pasty na očištěný substrát přes sítotiskovou šablonu, která určuje výsledný obrazec vytvořený na substrátu. Motiv šablony je zpravidla vytvořen fotolitografickou cestou. Sítotiskové šablony se skládají z kovového rámu a sítotiskové tkaniny. Materiálem vláken tkaniny je nejčastěji nerezavějící ocel, polyester nebo nylon. Vrstvy se tisknou nejčastěji na keramický, skleněný nebo polymerní substrát, který musí mít hladký, rovný a homogenní povrch. Nejčastěji používaným materiálem substrátů je korundová keramika. Stručné rozdělení substrátových materiálů ukazuje Tab Tab. 3.1: Přehled substrátů používaných pro TLV senzory ANORGANICKÉ keramika 96% Al 2 O 3 (korund), safír, AlN, 99% BeO, LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) materiály, atd. zirkoniové substráty ZrO 2 sklo nerez ocel (s izolační dielektrickou pastou) ORGANICKÉ polymery polyester (např. Mylar od DuPont), polyimid (např. Kapton, taktéž od DuPont), polyamid (např. Zytel, taktéž od DuPont) a další FR4 pro polymerní pasty, méně časté Podle použitých past můžeme rozlišit dva základní typy TLV technologie (viz Tab. 3.2) cermetová TLV technologie a polymerní TLV technologie. Tab. 3.2: Dva základní typy TLV technologie Cermetová TLV technologie (cermet thick film) Polymerní TLV technologie (polymer thick film PTF) používá skla na anorganické bázi, sklokeramiku a suroviny složené z keramiky, skla a kovu pro vrstvy a relativně vysokoteplotní vypalovací proces ( C založena na polymerech a polymerních sloučeninách s nízkou vytvrzovací teplotou ( C) Suroviny pro tlusté vrstvy jsou k dispozici ve formě tzv. past. Pasty se skládají z těchto hlavních složek: Funkční složka ve formě prášku, která je tvořena kovem (Pt, Pd, Ag, Au, atd.) ve vodivých pastách, kovy anebo kovovými oxidy (RuO 2, Bi 2 Ru 2 O 7 ) v odporových pastách, a keramikou a sklem (Al 2 O 3, BaTiO 3, skelná frita, aj.) v dielektrických a skelných pastách. Pojivová složka anorganické vazební materiály v práškové formě (nízkotavná skla a oxidy Al 2 O 3, WO 3, Y 2 O 3, Bi 2 O 3, CuO 2, BaTiO 3, PbO 2, B 2 O 3, SiO 2, aj.), které vytvářejí při výpalu oxidovou nebo skelnou vazbu mezi sebou a substrátem. Tyto materiály se používají pouze u cermetových past. Nosič organické pojivové prostředky, které slouží jako tixotropní nosič pro práškové anorganické složky před vypálením pasty. Jsou tvořeny z těkavých (rozpouštědla) a netěkavých (epoxidy nebo polymery) organických látek. Tato složka je odstraněna během vypalovacího procesu. U polymerních past plní nosič zároveň funkci pojiva.

24 24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Modifikační materiály tvořící malé množství speciálních aditiv (přísad), které řídí chování past před a po jejich zpracování. Složení pasty se liší podle funkce vrstvy, kterou má vrstva vykonávat. Pasty rozeznáváme standardní (vodivé, odporové, dielektrické) a speciální (termorezistivní, biocitlivé, piezoelektrické, apod.). Blíže je funkce past a jejich využití v senzorové technice popsána níže. V poslední době se objevuje rostoucí tendence k určité jednotnosti tlustovrstvých materiálů vhodných pro jednotlivé procesy. Další vývoj směřuje k aplikacím ekologických materiálů (např. Ag pasty bez NiO a s obsahem PbO pod 0,1%, Au pasty bez CdO, atd.). Mimo sítotisku se pro nanášení tlustých vrstev ještě používají techniky stříkání (spraying, řízené rozprašovací hlavice), namáčení (dip-coating) a jiné (napr. drop-coating). Fotocitlivé tlusté vrstvy se nanáší technikou Fodel (DuPont, [3]), která se skládá z nanesení souvislé tlusté vrstvy, obsahující fotocitlivý polymer, sítotisku, osvícení ultrafialovým světlem přes šablonu, vyvolání a výpalu. Po natisknutí vrstvy metodou sítotisku na substrát musí být umožněno její slití (tisk přes mřížku vede k vytváření linek od ok sítě), tato doba se nazývá leaveling. Dále se vrstva zasušuje v případě cermetových past nebo vytvrzuje teplem v případě polymerních past. Tím se odstraní těkavé látky. Požadovaná sušicí (vytvrzovací) teplota závisí na rozpouštědlech a pohybuje se od 100 C do 150 C po dobu 5 až 15 minut. Výpal u cermetových past je nejkritičtějším krokem TLV technologie. Nejdůležitější parametry jsou atmosféra a teplotní profil, který je dán druhem použité pasty. Běžné pasty se vypalují při teplotě od 600 ºC do 1100 ºC po dobu 10 minut, typická hodnota je 850 C. Vypalování tlustovrstvých cermetových past je poměrně složitým procesem, ve kterém jsou v první fázi vypálena organická pojiva a rozpouštědla, dále jsou kovové prvky sintrovány, přičemž keramické a skleněné složky vytvářejí vazbu mezi kovy a substrátem. U speciálních past např. enzymových, piezoelektrických nebo magnetorezistivních mohou být stanoveny teploty nižší. U těchto past mohou být využity materiály pro substráty s nižší teplotou tání. Některé z těchto past mohou být využity i pro polymerní TLV technologii, u které je vytvrzovací teplota podstatně nižší, obvykle kolem 150 C. Při vytváření více vrstev z různých materiálů je třeba dodržet pořadí tisku past s vypalovacími teplotami od nejvyšších až po nejnižší. Tiskem a výpalem lze u rezistorů a kondenzátorů dosáhnout tolerance ±(20 30) % Tlustovrstvé senzory založené na vlastnostech past U senzorů využívajících vlastností tlustovrstvých past se využívá schopností past reagovat na podněty vnějšího okolí změnou některých svých parametrů. Přitom si tlusté vrstvy zachovávají své charakteristické rysy, tj. vysokou odolnost a dobrou stabilitu, jež je nutná pro dosažení reprodukovatelnosti senzoru. Pasty lze u této skupiny senzorů rozdělit na standardní pasty (vodivé, odporové, dielektrické) a speciální pasty připravené pro danou aplikaci. Běžné (standardní) pasty nejsou vyvíjeny pro specifické senzorové aplikace, ale byla u nich objevena příslušná, původně někdy i nežádoucí závislost (termorezistivní, piezorezistivní, atd.). Běžnými pastami se realizují např. termočlánky, kdy je přechod vytvořen ze dvou různých vodivých past. Pro konstrukci teplotně závislých odporů (termistorů) se dnes využívá vodivých past takových, které mají rozsah teplotního koeficientu změny rezistivity (TCR) 1000 až 3500 ppm/ C [4]. Typickou vlastností TLV past je výrazná piezorezistivní závislost, a to i u běžných rezistorů (resp. rezistorových past). Toho se využívá pro převodníky tlaku. Zde se mimo klasických past na korundovém

25 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 25 substrátu využívají i polymerní pasty (Polymer Thick Film, PTF), které mají nižší vypalovací teplotu a mohou být nanášeny na širokou škálu materiálů. Nejčastější materiály standardních past jsou shrnuty v Tab Tab. 3.3: Přehled standardních past používaných v senzorových aplikacích Standardní (komerční) pasty: vodivé pasty (vodiče, kontakty, elektrická propojení, atd.): cermetové: na bázi Ag (Ag, Pd Ag, Pt Ag, Pd Pt Ag), na bázi Au (Au, PtAu, PdAu), na bázi Pt, na bázi Mo, W, Cu, Ni, aj. polymerní: směs aktivních vodivých materiálů Ag, Ni, Cu, C a pojivové složky tvořené organickými polymery (polyester, epoxid, akryláty, vinyl) rezistorové pasty: cermetové: složené z drahých kovů, oxidů a nízkotavných skel (RuO 2, Ru 2 O 7, Pd, Ag, atd.), polymerní rezistorové materiály: pasty pro vypalování při nižších teplotách dielektrické, krycí a izolační vrstvy: keramika a sklo: (oxidy kovů, skla) pasty pro dielektrika kondenzátorů, izolace mezi hladinami, ochranné a krycí vrstvy, atd. polymery: vícevrstvé obvody, ochranné povlaky pro nepříznivé prostředí (termosety), atd. Speciální pasty se vyrábí pro příslušný typ aplikace záměrným přidáním funkčních látek, které se vyznačují požadovanými vlastnostmi, do základního materiálu, případně použitím zcela nových materiálů nebo technologického zpracování. Pro fyzikální senzory mají uplatnění např. termorezistivní, piezorezistivní, magnetorezistivní a další materiály. V chemických senzorech se využívá speciálních past pro měření vlhkosti, iontové koncentrace a složek plynů. Růst významu lékařských sledování a diagnostik byly podnětem pro inovaci v oblasti speciálních materiálů pro biosenzory (např. vodiče typu Ag/AgCl, které lze tisknout na polymerní substráty). V současné době probíhá vývoj v oblasti hydrotalcitních protonických vodičů, feromagnetických past a dalších nových, speciálních past. Avšak z důvodů vysokých nákladů spojených s jejich aplikacemi bylo vynaloženo značné úsilí na úplné využití vlastností standardních past. Stručné rozdělení nejčastějších speciálních past uvádí Tab Tab. 3.4: Přehled speciálních past používaných v senzorových aplikacích Speciální pasty: Termorezistivní: NTC termistorové pasty, oxidy Mn, Co, Cu, Ni, Fe, Ti, Zn, Mg, Cr, Li PTC termistorové pasty: na bázi BaTiO 3, TiO 2, VO 2, V 2 O 3 pasty pro RTD na bázi Pt, Ni nízkoteplotní termistory: RuO 2 (vykazují rovněž magnetorezistivní vlastnosti) Magnetorezistivní: na bázi Ni Feromagnetické: obsahující feromagnetické složky Pyroelektrické: polymerní PVDF (polyvinylidenfluorid)

26 26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Citlivé na vlhkost: polymerní sloučeniny hydrotalcitní protonické vodiče cermetové pasty: SnO 2, aj. Chemicky citlivé: pevné elektrolyty: ZrO 2, aj. pasty na bázi oxidů kovů: SnO 2, WO 3, TiO 2, aj. polymery: polyelektrolyty, uhlíkové polymerní vrstvy, polyetheruretan, aj. Biocitlivé: polymerní lože s receptorovými částicemi Piezorezistivní: cermetové piezorezistivní pasty C a Ag polymerní sloučeniny Piezoelektrické: na bázi BaTiO3 na bázi PZT (titaničitan olovnatozirkoničitý), vykazují i feroelektrické vlastnosti piezoelektrické polymery: PVDF Další oblasti (např. vysokoteplotní supravodiče, atd.) 3.4 Technologie tenkých vrstev Mezi technologie tenkých vrstev (TNV technologie) patří fyzikální a chemické depozice z plynné fáze, známé pod zkratkami PVD (Physical Vapour Deposition) a CVD (Chemical Vapour Deposition). Do PVD technik se řadí zejména napařování (evaporation) a naprašování (sputtering). Do CVD metod lze zahrnout ty, u nichž je deponovaný materiál produktem chemické reakce plynů, např. disproporcionace, polymerizace, redukce, oxidace a nitridace. Existuje několik variant CVD, jako např. LPCVD, PECVD, ALD, atd. Mezi další depoziční techniky patří také nevakuové způsoby jako elektrodepozice (electrochemical deposition) a různé techniky nanášení z roztoku (dip-, spin- či spraycoating). Výše uvedenými metodami se získají anorganické vrstvy s tloušťkou do 1 μm, ve kterých se pomocí masky vytvářejí motivy následným selektivním leptáním, popřípadě deponováním přes masku, tj. přímým vytvářením motivu. U některých technik je možné dosáhnout i větších tlouštěk, ale ve většině případů nejde o nízkonákladové depozice, popř. se již značně mění fyzikální vlastnosti deponované vrstvy. TNV technologie jsou využívány především pro realizaci vodivých, odporových a dielektrických vrstev. V oblasti senzorové techniky jsou však vytvářeny i vrstvy speciální. Lze rovněž deponovat některé polovodivé materiály, např. pro realizaci tenkovrstvého tranzistoru. Dále jsou používány piezorezistivní nebo piezoelektrické materiály (PZT) pro měniče (převodníky) mechanického namáhání, polovodivé oxidy kovů s katalytickými vlastnostmi pro plyny a organické výpary, apod. Po nanesení vrstev obsahují tyto filmy značné množství strukturních nehomogenit a defektů. Ve vrstvě proto mohou probíhat děje projevující se dlouhodobými změnami elektrických parametrů a směřující k dosažení termodynamické rovnováhy systému. To lze urychlit preventivním vyzráním vrstvy za zvýšené teploty. Např. vrstvy NiCr se stabilizují při teplotě 300 ºC po dobu 1 hodiny, popř. pro docílení vysoké stability při teplotě 200 ºC po dobu 24 hodin. Vrstvy TaN se stabilizují při teplotě 300 ºC po dobu 16 hodin. Stabilizované vrstvy vykazují velmi dobré elektrické vlastnosti Naprašování Základem této techniky je takzvané katodové naprašování. Princip technologického zařízení lze názorněji vysvětlit na Obr V pracovní komoře, obsahující inertní plyn, je

27 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 27 za sníženého tlaku 10 1 Pa (jemné vakuum) vytvořen mezi anodou a katodou doutnavý výboj. Materiál, který chceme naprašovat, tvoří katodu (terč, target). Substráty pro naprašování, na nichž chceme vytvořit vrstvu, jsou umístěny na anodě. V doutnavém výboji není potenciál mezi elektrodami rozložen rovnoměrně, nýbrž tvoří u katody tzv. katodový spád. Kladné ionty plynu vznikající ve výboji jsou unášeny směrem ke katodě a dopadají na ní téměř rychlostí, kterou získaly v prostoru katodového spádu. Bombardováním urychlenými ionty inertního plynu se z katody uvolňují částice ve formě neutrálních atomů a částečně i iontů, které se usazují na okolních tělesech a tedy i na podložkách umístěných na anodě. Obr. 3.6: Katodové naprašování Jinými slovy, je-li pevný materiál katody bombardován atomy, ionty nebo molekulami inertního plynu s kinetickou energií převyšující vazebnou energií atomů odprašovaného materiálu (viz Obr. 3.7a), dochází nejprve k migraci atomů v povrchových vrstvách materiálu katody a následně k vypuzení atomů z tohoto materiálu do plynné fáze (odpaření, viz Obr. 3.7b). a) b) Obr. 3.7: Povrch targetu a) před srážkou s energetickými atomy, b) po srážce s atomy

28 28 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Tato technika se v zahraničí nazývá DC sputtering. Katodové naprašování bylo dříve označováno jako tantalová technologie, kdy pro odporové vrstvy byly použity vrstvy TaN a pro dielektrické Ta 2 O 5. Prvním krokem jednoduchého postupu vytváření tenkých vrstev touto technologií bylo nanášení vrstvy Ta, z níž se vytváří tepelnou oxidací oddělovací vrstva Ta 2 O 5. Dalším krokem je vytvoření odporové vrstvy Ta 2 N. Posledním krokem postupu je nanášení vodivé vrstvy NiCr, sloužící jako difúzní bariéra, a vrstvy Au. Dalším vývojem byla vyvinuta technika magnetronového naprašování (magnetron sputtering), kde terč s naprašovacím materiálem je během procesu umístěn v silném magnetickém poli, viz Obr Touto technikou se dociluje mnohem koncentrovanější depozice díky směrování částic vlivem magnetického pole do středu. Příklad takovéto katody a vytvořeného plazma představuje Obr. 3.9: Je-li hlavice katody vyrobena stejně jak ukazuje obrázek, budou se částice pohybovat po kružnicích od katody k anodě. Nebude tedy docházet k neefektivnímu rozptylu částic do krajů depoziční komory. Obr. 3.8: Princip směrování částic vlivem elektrického (E) a magnetického (B) pole Obr. 3.9: Katoda s magnetronem a vytvořené plazma [5] [7] Další technikou je tzv. vysokofrekvenční naprašování (RF sputtering), kde systém obsahuje třetí elektrodu, jež je nevodivá (izolant). Mezi katodou a anodou je stejnosměrné pole a vytváří se plazma jako u DC sputtering metody. Mezi anodou a izolační elektrodou je přivedeno vysokofrekvenční napětí (řádově MHz). Povrch izolačního materiálu se tak stává v půlperiodách negativně nabit oproti plazmě a dochází k naprašování na povrch izolantu. Kombinace vysokofrekvenčního a magnetronového naprašování (RF magnetron sputtering) je taktéž možná ke zvýšení intenzity naprašování. Naprašování je velmi běžně užívaná metoda, protože zařízení jsou cenově dostupná. Naprašovat lze široká škála materiálů, jako je např. W, Ta, Mo, Si, Ge, Ni Napařování Vakuové napařování je fyzikálně odlišné od naprašování. Řadí se mezi nejjednodušší TNV technologie. Částice (atomy, molekuly) nanášeného materiálu jsou z něj uvolňovány důsledkem jeho zahřívání v uzavřeném systému, kde se při určité teplotě ustaví

29 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 29 rovnovážný tlak, nazývaný tenze nasycených par. Je-li v tomto systému porušena rovnováha a v určitém místě je teplota nižší, dochází zde ke kondenzaci par. Tím jsou vytvořeny podmínky pro přenos materiálu z místa o vyšší teplotě (z výparníku) do místa o teplotě nižší (na podložku, na níž roste tenká vrstva), viz Obr Rychlost depozice tak závisí i na teplotě substrátu. Obr. 3.10: Zařízení pro vakuové napařování Ohřívání materiálu pro vypařování může být zajištěno odporovým ohřevem, iontovým svazkem, vysokofrekvenčním ohřevem, laserem nebo bombardováním elektrony. Poslední dvě metody umožňují ohřev jak materiálů vyžadujících vysoké teploty, tak i materiálů, které se při ohřevu rozkládají, a navíc dochází k vyloučení nežádoucích kontaminací s materiálem výparníku. Celý proces napařování probíhá ve vysokém vakuu Pa z důvodu zvětšení střední volné dráhy molekul nanášeného materiálu, tj. aby dráha vypařených částic mezi výparníkem a substrátem byla co nejvíc přímočará. Fyzikální vakuové napařování bylo používáno často k nanášení vrstev NiCr a SiO (vžilo se také označení chromniklová technologie), kdy je na podložku nanesena vrstva NiCr. Po jejím nanesení je vytvořena vrstva Ni tvořící difúzní bariéru a adhezní podklad pro vodivou vrstvu Au. Tato technika v závislosti na typu ohřevu umožňuje dále vytvářet vrstvy jako Ni, Fe, Ag, Pt, C, Nb, sloučeniny jako SiO 2, MgF 2, Al 2 O 3, CeO 2, ZrO 2, TiO 2, ZnS a polovodiče jako InSb, GaAs, CdS, PbSe Chemická depozice z plynné fáze (CVD) Tento způsob depozice vychází z využití plynu o dvou prvcích AB (např. silan SiH 4 ) přicházejícího do studené oblasti, kde pouze A (např. Si) je deponován na studenější substrát a prvek B (H 2 ) je odváděn vývěvou z aparatury. Tato technika se v polovodičové technologii využívá převážně pro epitaxi křemíku nebo germania (při využití germanu GeH 4 ). Teplotní spády jsou pro Si 1000 C/950 C, pro germanium 300 C/250 C. Pro epitaxi se užívá jodid křemíku nebo germania. Rychlost růstu je poměrně vysoká, u germania činí až 400 Å/s. Další možností CVD je využití dvou a více plynů najednou, které spolu reagují, a jejich produkt je deponován na podložku. Podle druhu reakce těchto plynů (redukce, oxidace a nitridace) vznikají vrstvy kovů, oxidů nebo nitridů. Anorganické i organické

30 30 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně polymery lze připravit z monomerní páry elektronovým svazkem, UV zářením nebo doutnavým výbojem. Nepolymerní vrstva se expozicí polymerizuje a stává se tak odolná vůči některým rozpouštědlům. Doutnavý výboj je méně využíván a to jen u monomerů jako např. styren. Fotolitografické zpracování je dalším krokem při výrobě. Při vytváření přímé masky se fotorezist nanáší na celý povrch podložky. Následuje osvit a vyvolání fotorezistu, při němž je odstraněna část fotorezistu s velkou rozpustností ve vývojce. Nerozpuštěná část fotorezistu slouží jako ochranná vrstva při selektivním leptání, při němž je odstraněna část tenké vrstvy. Po leptání se fotorezistová maska odstraní. Fotolitografie se opakuje podle požadovaného motivu několikrát. Vodiče a pájecí plošky mohou být zesíleny zlatem pro zajištění dobré vodivosti. Příklad vytvoření poměrně složitého (v závislosti na technologiích) TNV odporu je uveden na Obr Pro jeho realizaci je využito několik technik. Obr. 3.11: Příklad vytvoření TNV odporu zvláštním postupem Vakuovým nanášením s následnou fotolitografií nelze vyrobit rezistory s přesnými odpory v úzké toleranci (± 20%). To je způsobeno rozptyly při nanášení, nepřesností masek, podleptáním, atd. Proto jsou rezistory do požadované tolerance dále dostavovány. Daleko vyšší přesnosti se dosahuje v tzv. matchingu, tj. vzájemná tolerance mezi

31 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 31 jednotlivými odpory od referenční hodnoty. To umožňuje vyhnout se trimování vhodným návrhem obvodového řešení Elektrochemická depozice Nazývá se také elektrochemická povrchová úprava (electroplating). Můžeme ho rozdělit na depozici v kapalných a nekapalných médiích. Tato technika je velmi využívána v průmyslu. Je výhodná právě pro depozici pomocí masky, tedy odpadá selektivní leptání, i když je samozřejmě možné nejprve vytvořit kompaktní plochu, a poté nanést masku pro proces leptání. Tato technika je vhodnější spíše pro nanášení silnějších vrstev materiálů a to hlavně kovových. Lze ji tedy zahrnout jak do metod tenkovrstvých, tak i do tlustovrstvých. Je velmi jednoduchá a levná, ale je obtížné získat velmi tenkou homogenní vrstvu jako u naprašování, napařování nebo CVD bez dostatečného know-how. Záleží na použitém roztoku, podmínkách depozice a čistotě povrchu, na který se vrstva nanáší. Metoda využívá Faradayova zákona, kde tloušťka vrstvy d za jednotku času t je definována následovně: d t JE [ cm s 1 ] (3.5) kde J je proudová hustota, E je elektrochemický ekvivalent, jenž je úměrný váze materiálu deponovaného průchodem stejné velikostí elektrické veličiny. α je účinnost proudu určená z poměru experimentálně a teoreticky určené váhy (0,5 1), ρ je hustota materiálu v deponované vrstvě. Tato technika je vhodná pro depozici kovů právě díky jejich dobré vodivosti. Kovy jsou v roztoku ve formě iontů nebo se rozpouštějí z anody. Samotná depozice se vytváří na katodě, kam jsou ionty kovů s kladným nábojem transportovány vlivem intenzity pole. Techniku lze využít i pro vytvoření oxidových vrstev, kdy se nejprve nanese vrstva kovu a poté se termicky oxiduje. Teplota a doba oxidace určuje tloušťku oxidové vrstvy. Mezi zvláštní techniku elektrodepozice patří anodizace. V průmyslu je velmi často používáno eloxování hliníku, což je vlastně anodizace v kyselém roztoku (H 2 SO 4, (COOH) 2, H 3 PO 4 ) při průchodu elektrického proudu. Hliníkový materiál je v tomto případě anodou. V této oblasti se objevily v posledních letech velké možnosti v oblasti vytváření nanostruktur. Bylo zjištěno, že za určité teploty roztoku, napětí a použité kyselině a její koncentraci lze vytvořit pravidelnou nanoporézní hexagonálně uspořádanou strukturu, viz Obr Tvarově lze tuto strukturu přirovnat k včelím plástvím. Rozměry těchto hexagonálních buněk se pohybují od 20 do 500 nm, tedy průměr pórů je podstatně menší. Tento jev byl zatím prokázán u velmi čistého hliníku a titanu. V současné době probíhají výzkumy pro využití těchto struktur v oblasti senzorů (modifikace citlivé vrstvy nanostrukturami, které kopírují tvar nanoporézní masky) i polovodičových součástek Techniky dip- a spin-coating Tyto techniky nanášení tenkých vrstev spočívají v ponoření substrátu do roztoku (v případě dip-coatingu) nebo nanesení roztoku na rotující substrát (spin-coating). Samotná přeměna roztoku v pevnou nanovrstvu, popř. nanoprášek, se nazývá sol-gel proces a využívá se nejčastěji pro přípravu tenkých vrstev keramických kompozitů, jako jsou TiO 2, ZnO a WO 3. Při sol-gel procesu se připravená suspenze koloidních částic, tzv. sol, nanese spin-coatingem nebo dip-coatingem na pevný substrát, kde se po odpaření kapalné složky přemění na gel a po vysušení a dalším tepelném zpracování vzniká požadovaná tenká vrstva.

32 32 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Základem sol-gel procesu je reakce (hydrolýza) prekurzoru, který obsahuje požadovaný prvek, a rozpouštědla, které vnáší do roztoku vodu potřebnou pro hydrolýzu. Při hydrolýze dochází k vysrážení částic prekurzoru v rozpouštědle. Jedná se o roztoky solí kovů (např. chloridů) rozpustné v kyselinách nebo organokovů (alkoxidy jako ethoxidy, isopropoxidy, butoxidy aj.) rozpustné v organických rozpouštědlech, nejčastěji alkoholech (etanol, isopropanol, butanol aj.). Důležitými parametry ovlivňujícími výslednou tloušťku vrstvy je u obou metod nanášení viskozita solu a rychlost nanášení. U metody dip-coating platí, že čím větší je rychlost vytahování substrátu z roztoku, tím tlustší je výsledná vrstva. U metody spincoating je vrstva s rostoucí rychlostí otáčení substrátu tenčí. Rozsah tloušťky filmu dosažitelné metodou spin-coating je μm. Chceme-li vytvořit silnější film, je potřeba vysoká viskozita roztoku, nízká rychlost otáčení a krátký čas rotace. Viskozita roztoku se dá upravit objemovým poměrem prekurzoru a organického rozpouštědla. Obr. 3.12: Nanoporézní amorfní oxid hlinitý, jenž vznikl anodizací čistého hliníku v kyselině šťavelové (snímky SEM, UMEL, FEKT) Technika spray-coating a drop-coating Mezi další techniky nanášení tenkých vrstev patří nanášení stříkáním (v případě spraycoatingu) a nakapáváním (v případě drop-coatingu). Podobně jako je tomu u dip- a spincoatingu, je obvykle nanášení v tenké vrstvě prováděno sol-gel procesem. Oproti dip- a spin-coatingu je dosahováno horší reprodukovatelnosti povrchu, na druhou stranu v sobě tyto metody skrývají možnost jednoduché selektivní depozice přes šablonu (v případě spray-coatingu) nebo přímým určením místa (v případě drop-coatingu). Tloušťka vrstvy je u spray-coatingu určena velikostí a množstvím částic v suspenzi a dobou stříkání, při které se jednotlivé vrstvičky usazují přes sebe. U drop-coatingu určuje tloušťku vrstvy mimo velikost a koncentraci částic v suspenzi i množství deponovaného materiálu v závislosti na velikosti deponované plochy. Nevýhodou těchto dvou metod je menší přesnost deponovaných ploch, protože u spray-coatingu může docházet k podtékání povrchu masky vlivem kapilárních sil a u dip-coatingu je výsledný, obvykle kruhový, tvar hodně ovlivněn smáčivostí deponovaného povrchu.

33 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy Polovodičové technologie Zanášení navržené topologie do polovodivých materiálů (substrátů) je velmi rozpracovaná technologie skládající se z mnoha technologických kroků podle toho, co je cílem výroby. Každý krok může být prováděn jinou technikou (metodou). Při realizaci planárních snímačů je užito nejméně kroků, naopak nejvíce kroků potřebuje realizace integrovaného obvodu. Mezi tyto metody patří tažení monokrystalu polovodiče a rozřezání na plátkové substráty (wafery), elektronová litografie pro vytváření masek, epitaxní růst, selektivní leptání, termická oxidace, difúze příměsí a iontová implantace. Nedílnou součástí jsou i TNV techniky jako je naprašování a napařování vrstev, a nakonec montážní techniky. Některé techniky už byly popsány výše, proto zde už nebudou zmíněny a budeme se věnovat těm, které jsou pro výrobu senzorů nejdůležitější Epitaxe z molekulárních svazků Epitaxe z molekulárních svazků (Molecular Beam Epitaxy, MBE) patří mezi fyzikální metody depozice. Principiálně se podobá napařování, avšak atomy nejsou z tuhého zdroje odpařovány, ale sublimovány. K tomu je nutné dosáhnout velmi nízké vakuum (min Pa), což vede k chemicky čistým vrstvám a nízkým rychlostem depozice, umožňujícím epitaxní růst vrstev (tj. růst monokrystalických tenkých vrstev krystalicky orientovaných podle substrátu). Metoda se využívá hlavně na depozici tenkých vrstev GaAs, Si, Ge a jiných materiálů, ale také umožňuje vytvářet struktury s elektrony omezenými v prostoru (např. quantum wells, quantum dots), které se uplatňují v laserech, fotodetektorech, LED diodách a jiných moderních polovodičových součástkách Izotropní leptání Jde o nejpoužívanější techniku, kdy je leptán materiál mokrou nebo suchou cestou bez omezení směrovosti všesměrové leptání. Leptají se tak kovy, dielektrika i polovodiče a to i monokrystalické. Tato technika umožní vytvoření motivů za využití litografické masky, čímž je vymezen prostor pro leptání, které probíhá na základě chemicko-fyzikálních principů roztoků/plynů a materiálů. Maska je obvykle podleptána a hloubka podleptání bývá stejná s hloubkou leptání. S tímto je nutné počítat při návrhu motivu, který má být vyleptán Anizotropní leptání Masku tvoří většinou fotorezist, který je polymerizován litografií, nepolymerizované části jsou rozpuštěny a odplaveny. Do polovodičů lze tak vytvářet díry (jámy), které získávají směrem do hloubky tvar určený orientací krystalové mříže monokrystalického materiálu (Obr. 3.13). Obr. 3.13: Příklad leptání jámy do Si za použití masky Anizotropní leptání umožňuje rychlé leptání určitým směrem krystalové mřížky a je převážně využívána u MEMS technologie. Obvykle se anizotropní leptání zastavuje na

34 34 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně rovině <111>, v tomto směru je leptání přibližně krát pomalejší. Vznikají tak hrany šikmé pro substrát <100> nebo kolmé pro <110>. Tímto leptáním lze vytvářet velmi tenké membrány pro využití u senzorů tlaku, plynů, teploty, apod., dále pohyblivých částí jako nosníků, hřebenů i koleček. Byly vyvinuty také techniky, které elektrochemickou cestou za pomocí UV záření mohou do křemíkového substrátu vytvořit mikropóry s pravidelným rozmístěním bez použití masky. Toto pravidelné rozmístění je dáno krystalovou strukturou křemíku Mikroelektromechanické systémy Mikro-Elektro-Mechanické Systémy (MEMS) je integrace mechanických elementů senzorů či aktuátorů, jež umožňují řešení problému v podobě mikrosystému, tzn. i s elektronikou na křemíkovém substrátu pomocí mikroelektronických technologií. Zatímco elektronické součástky jsou vytvářené sekvencemi procesů pro výrobu integrovaných obvodů (např. CMOS, Bipolární nebo BICMOS procesy), mikro-mechanické součásti jsou vytvořené použitím mikro-obráběcích procesů, tj. leptacích technik vyšší úrovně, které selektivně odleptávají část křemíkového plátku či kovu nebo přidávají nové strukturální vrstvy pro vytvoření mechanických nebo elektromechanických zařízení, viz např. Obr Obr. 3.14: Mikroelektromechanický systém MEMS technologie pomohla zásadně změnit téměř všechny kategorie produktů, a to pomocí spojení mikroelektroniky založené na křemíku spolu s mikro-obráběcími technologiemi. Tento převrat umožňuje realizaci kompletních systémů na čipu (SoC). Technologie MEMS tak dovoluje vývoj SMART produktů, rozšíření výpočtové schopnosti mikroelektroniky o schopnost vnímání a kontrolní schopnosti mikrosenzorů a mikroaktuátorů a dále rozšiřování prostoru možných návrhů a aplikací. Mikroelektronické integrované obvody jsou řídicí částí systému (mohou být považovány za "mozky" systému) a MEMS zvětší schopnost rozhodování o snímací a akční část systému ("oči" a "ruce" systému). To dovolí MEMS ovládat prostředí a reagovat na jeho podněty. Senzory získávají informace z prostředí na základě měření mechanických, tepelných, biologických, chemických, optických a magnetických jevů. Elektronika pak zpracuje informaci obdrženou ze senzorů a podle ní řídí akční členy např. odpovídajícím

35 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 35 posunem, umístěním, regulací, pumpováním a filtrováním. Tím ovládá prostředí pro nějaký požadovaný výsledek nebo účel. Mezi MEMS řadíme např. senzory pohybu jako je senzor rychlosti, zrychlení, dále senzory pozice, gyroskop, apod. Jako převodníky se potom u těchto senzorů využívá kapacitní metody, tedy kapacitní senzory MEMS Proces mikroobrábění Mikroobrábění rozlišujeme na povrchové a objemové. Povrchové obrábění se zaměřuje na vytváření elektromechanické struktury na povrchu substrátu. Obvykle se kombinuje litografie s depozicí materiálu, viz Obr Při objemovém obrábění se kombinuje hlavně litografie s leptáním. V tomto případě se hloubí pod povrch substrátu, viz Obr Pro velmi dobře popsaní leptacího procesu se nejčastěji využívá monokrystalický křemík. Leptací proces se využívá jak anizotropní, tak izotropní. V praxi se často kombinují obě metody obrábění. Obr. 3.15: Povrchové obrábění příklad vyváření cantileveru (jazýčku) Obr. 3.16: Objemové obrábění příklad vyváření membrány Následující obrázky (Obr až Obr. 3.20) ukazují ve čtyřech krocích postup při výrobě MEMS s elektronikou realizovanou v CMOS [43]. Nejprve je vytvořena jáma pro realizaci mechanického systému a postupně jsou nanášeny jednotlivé vrstvy mechanického systému ve formě sendvičové struktury. Poté je tato struktura překryta ochranným oxidem a zarovnána s povrchem křemíku. Následuje realizace CMOS obvodů standardním procesem. Nakonec je odleptán oxid podle masky v místech, kde je to potřeba a mechanická část je tak obnažena k plnění své funkce. Obr. 3.17: Proces mikromechanizování povrchu za použití polykrystalického křemíku

36 36 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 3.18: Jáma s mechanickým systémem vyplněná oxidem a zarovnaná Obr. 3.19: Standardní CMOS proces pro vytvoření elektronické části Obr. 3.20: Otevření elektromechanické struktury odleptáním oxidu Příklad vytváření akcelerometru zobrazuje Obr v řezu. CMOS chip je leptán ze spodní strany k vytvoření definované tloušťky Si membrány µm. Následuje leptání oxidu z horní strany přes horní kovovou vrstvu. Další hluboké leptání Si vytváří mikrostruktury. Nakonec je provedeno izotropní leptání Si k odstranění některých částí křemíku a vytvoření žádané struktury. Obr ukazuje akcelerometr v pohledu shora. (a) CMOS oblast mikrostrukturní oblast SCS membrána kov-3 kov-2 kov-1 poly-si (b) (c) (d) Obr. 3.21: Vytváření reálného CMOS-MEMS a) spodní leptání, b) leptání oxidu, c) hloubkové leptání Si, d) odstranění Si

37 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 37 Obr. 3.22: Struktura akcelerometru Návrhové prostředky Návrh MEMS je velmi komplikovaný, musí zahrnovat návrhářská pravidla pro danou technologii a vyšší procesy používané při výrobě MEMS. Návrh je tedy podporovaný softwarem, který logicky po sobě umožňuje vytvářet koncepty, dělat návrhy topologie, umí simulovat jeho chování, vytvářet 3D modely, které ve výrobě IO nebyly potřeba, analyzovat celý systém za pomoci vytváření makromodelů. Po odladění je vše připraveno k výrobě. Celý tento proces znázorňuje Obr Nejvíce vyvinuté MEMS pocházejí z USA od firmy Sandia, kde se využívá návrhových prostředků jako např. CoventorWare od firmy Coventor. Obr. 3.23: Cesta vytváření MEMS od konceptu až po pouzdření

38 38 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně CoventorWare obsahuje několik návrhových prostředků jako Architekt pro vytváření schémat, Designer pro vytváření layoutů, Analyzer pro analýzu chovaní navrženého systému a Integrátor umožňující extrahování modelů navržených částí. Spolu dohromady vytvářejí návrhový řetězec, který je uzavřený (Obr. 3.24) a tím se stává velmi silným a robustním prostředkem k dokonalému návrhu a přípravě podkladů pro výrobu MEMS, které budou téměř se 100% jistotou fungovat. Příklad detailu navržené části MEMS v tomto prostředí ukazuje Obr Obr. 3.24: Návrhové prostředky CoventorWare v návrhové smyčce MEMS Obr. 3.25: Ukázka simulace 3D mechanické struktury MEMS

39 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy Příklady vytvořených MEMS Leptání topologie je možné i reaktivním iontovým leptáním (plasmou). Příklad vytvořené součásti z SiO 2 ukazuje Obr. 3.26a v porovnání se CMOS-MEMS v podobě soukolí, které zobrazuje Obr. 3.26b. a) b) Obr. 3.26: a) 8 µm hluboká SiO 2 turbína; b) mechanické soukolí jako CMOS-MEMS Příklady dalších akčních a snímacích členů MEMS z produkce společnosti Sandia [41], [42] jsou ukázány na Obr

40 40 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 3.27: Příklady akčních a snímacích členů MEMS podle [41], [42]

41 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 41 4 Odporové senzory 4.1 Obecné vlastnosti odporových senzorů Skupina odporových senzorů je velmi rozsáhlá a patří do třídy snímačů pasivních. Měřená neelektrická veličina je převáděna na změnu odporu. Odporové senzory proto bývají zapojeny do obvodů s pomocným napájecím napětím nebo proudem. Obvod je nejčastěji zapojen jako vyvážený nebo nevyvážený můstek. Velkou výhodou odporových senzorů je jejich jednoduchost. Náhradní elektrické schéma ukazuje Obr Vlastnosti přívodního vedení mohou výrazně ovlivnit parametry snímače a přesnost měření. Musí platit: R s <<R<<R p, kde R je odpor senzoru, R p je odpor izolace přívodního vedení a R s je odpor vodičů přívodního vedení. Při napájení střídavým napětím je nutné uvažovat parazitní kapacitu C p, jenž udává kapacitu mezi vodiči u přívodního vedení. senzor vedení měřicí obvod Obr. 4.1: Náhradní elektrické schéma odporového senzoru a přívodního vedení 4.2 Odporové senzory kontaktové Odporové senzory kontaktové jsou nejjednoduššími senzory. Působením měřené veličiny dochází ke skokové změně odporu kontaktů převodníku. Nejde proto o měření snímané veličiny, ale o indikaci dosažení jedné nebo několika hodnot. Princip odporového kontaktového snímače a jeho ideální průběh závislosti odporu na vzdálenosti kontaktů ukazuje Obr. 4.2, kde R 1 je odpor snímače při rozepnutých a R 0 při sepnutých kontaktech. V současnosti se využívají hlavně polovodičové spínače. Obr. 4.2: Princip kontaktového senzoru a ideální průběh závislosti odporu na vzdálenosti kontaktů

42 42 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Podle konstrukce lze kontakty rozdělit na: zdvihové spínání se děje pohybem kolmým ke stykové ploše, vhodné pro miniaturizaci, třecí (smykové) spínání smykovým pohybem ve směru stykové plochy, vhodné pro miniaturizaci, rtuťové v zatavené baňce vytváří rtuť vodivý můstek mezi kontakty, nevhodné pro miniaturizaci, polovodičové většinou triaky se spínáním v nule (Solid State Relay) nebo tranzistory MOSFET. Skupina kontaktových snímačů je využívána v technické praxi především pro indikaci stavu měřené veličiny a k třídicím účelům. Kontaktových senzorů se využívá nejčastěji k měření nastavené mezní hodnoty teploty, tlaku, geometrických rozměrů, zrychlení, vibrací, otáček, hladiny, atd. 4.3 Měřicí potenciometry Měřicí potenciometry jsou nejjednodušší senzory s plynulou změnou výstupní veličiny. Působením měřené veličiny se mění poloha kontaktu (sběrače), který se posouvá po odporové dráze. Tím je měněn odpor mezi kontaktem a začátkem (koncem) odporové dráhy, Obr Snímače jsou konstrukčně jednoduché a spolehlivé, musí však být dobře navrženy po mechanické stránce, aby měly maximální životnost a přesnost, malý třecí moment a malý šum. V konstrukci měřicích potenciometrů lze najít potenciometry druhové, šroubovicové, deskové, rtuťové, elektrolytické a speciální. V mnoha případech je možné použít mikroelektronické technologie pro výrobu kontaktů nebo celého senzoru. Obr. 4.3: Zapojení potenciometru do obvodu Snímače jsou konstruovány s různým funkčním průběhem mezi změnou odporu a lineární nebo úhlovou změnou polohy kontaktu. Vliv odporu zátěže určuje součinitel zatížení K z. Pro zachování požadované charakteristiky senzoru je nutné, aby zatěžovací odpor snímače byl co největší, viz Obr K dalším parametrům senzoru náleží rozlišovací schopnost a přesnost senzoru. Rozlišovací schopnost vyjadřuje, jak jemně je možné nastavit dělící prvek. U klasických potenciometrů vinutých z odporového drátu byl odpor měněn při přechodu sběrače ze závitu na závit po skocích. U vrstvových potenciometrů je parametr výrazně zkvalitněn a je dán hrubostí povrchu vrstvy. Přesnost vyjadřuje maximální odchylku skutečné hodnoty odporu mezi sběračem a začátkem (koncem) odporové dráhy od požadovaného funkčního průběhu.

43 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 43 Obr. 4.4: Základní charakteristiky měřicího potenciometru V měřicí technice jsou často využívány potenciometry s uhlíkovou vrstvou. Mají velkou pracovní rychlost a využitelnost. Jejich nevýhodami jsou závislost odporu na vlhkosti, teplotě a opotřebení vrstvy jezdcem. Vyrábějí se jako lineární, kruhové nebo víceotáčkové šroubovicové. Pro odstranění vlivu okolí i opotřebení vznikla uzavřená struktura (Obr. 4.5), která brání vniku vlhkosti a opotřebení oddělením stykové plochy jezdce od odporové vrstvy. horní vrstva Ag distanční vložka spodní odporová uhlíková vrstva horní vrstva Ag aktuátor distanční vložka spodní odporová uhlíková vrstva horní vrstva vytváří přítlakem kontakt se spodní vrstvou Obr. 4.5: Příklad konstrukce lineárního potenciometrického snímače na bázi polymerní technologie. Měřicí potenciometry se uplatňují v mnoha měřicích obvodech, kde lze převést měřenou veličinu na měření lineární nebo úhlové polohy, např. při měření tlaku, geometrických rozměrů, zrychlení, vibrací, výšky hladiny, atd. Příklad senzoru využívajícího jednoduchý odporový snímač stavu paliva ukazuje Obr Je tvořen odporovou vrstvou s vývody, po níž se pohybuje běžec s vývodem,

44 44 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně který je vhodným způsobem upevněn na sledované těleso. Odpor mezi vývodem běžce a jedním z vývodů je funkcí vzdálenosti běžce od vývodu odporové vrstvy. Jestliže je odporová vrstva ve tvaru části mezikruží, lze sledovat uhlové natočení tělesa. Odporový senzor není využíván jen pro měření polohy samotné, ale po vhodném převodu sledované veličiny na polohu i k měření rychlosti, akcelerace, tlaku, teploty aj. Obr. 4.6: Odporový cermetový snímač stavu paliva (DuPont) (vlevo) a úhlový snímač na organickém substrátu (uprostřed + detail vrstvy vpravo) 4.4 Odporové tenzometry Tenzometrický rezistor (tenzometr) je odporový senzor, u něhož je změna elektrického odporu závislá na změně deformací tenzometru (tj. změny geometrických rozměrů, případně změna krystalografické orientace tenzometru) a na změně teploty prostředí. Pojem deformace je v této kapitole omezen na deformaci způsobenou tahem nebo tlakem. Tenzometry lze rozdělit podle typu materiálu na: tenzometry kovové (drátkové, foliové a napařované), polovodičové (monokrystalické, polykrystalické). Tenzometrický rezistor se obvykle skládá z vlastního snímače a podložky, která zajišťuje přenos deformace z povrchu měřeného objektu na vlastní snímač. Současně tvoří podložka elektrickou izolaci. Podložka se na povrch měřeného objektu lepí speciálními lepidly (epoxidové pryskyřice, celuloid, atd.). Elektrický odpor R homogenního tělesa (vodič nebo polovodič) je přímo úměrný délce vodiče l a nepřímo úměrný průřezu vodiče. Změna odporu ΔR je dána závislostí na změně této délky vodiče a jeho průřezu, který je často velmi malý oproti délce a neuvádí se. Platí vztah: R R p p, (4.1) kde p je tlak a α p je tlakový součinitel, který je různý pro různé materiály. Tento součin je také rovný poměru změny délek odporových tenzometrů: R R l. (4.2) l Podle konstrukce můžeme rozdělit tenzometry na: Tenzometry s volným odporovým článkem. Odporové drátky tenzometru jsou uchyceny mezi soustavu držáků. Výhodou tohoto uspořádání je jednoduchý přenos deformace, malá hystereze a malý posun nulového bodu snímače. Nevýhody jsou náročné mechanické uspořádání a problémy s nízkým rezonančním kmitočtem.

45 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 45 Tenzometry lepené. Odporový článek je vytvořený na podložce, která se dále přilepí na měřený objekt. Z klasických materiálů se nejčastěji používá konstantan (slitina mědi a niklu). Existuje několik typů konstrukce tohoto tenzometru, odporové vedení se obvykle vyrábí ve tvaru mřížky. Polovodičové tenzometry. Tyto tenzometry se vyrábí z křemíkového materiálu z důvodu zanedbatelné mechanické a krystalografické hystereze a použitelnosti pro širší rozsah teplot. Vyrábí se buď řezáním, broušením či leptáním monokrystalu nebo planárně difúzní technologií na křemíkový substrát. Polovodičové tenzometry se lepí buď na fenolformaldehydovou podložku, nebo přímo na měřený objekt. V porovnání s kovovými tenzometry jsou polovodičové mnohem citlivější. Nevýhodou je však velká odchylka od lineární charakteristiky a značná teplotní závislost. Typické parametry polovodičových tenzometrů uvádí Tab Tab. 4.1: Vlastnosti polovodičových materiálů používaných pro tenzometry Materiál tenzometru Křemík Křemík Germanium Germanium Typ polovodiče Typ P Typ N Typ P Typ N Měrný odpor [.cm] 0,017 0,02 0,35 1 0,25 Jmenovitý odpor při 20 C [] Součinitel deformační citlivosti při 20 C [ ] až Pracovní proud [A] Pracovní rozsah poměrných deformací [m/m] ±10 3 ± ± ± Rozměry polovodičového tenzometru [mm] Délka 4,4 12, ,5 10 Tloušťka 0,017 0,4 0,1 0,4 0,15 0,5 0,15 0,4 Šířka 0,05 0,5 0,05 0,8 0,7 2 0,2 2 Měřicí obvody využívající tenzometrické rezistory jsou často uspořádány jako Wheatstonův můstek. Příklady konstrukce jednoduchých senzorů uvádí Obr Polovodičové se často vytvářejí jako jednoduchý pásek z křemíkové destičky. V případě vrstvových či drátových tenzometrů se často setkáváme s tvarem U, kterých může být v sérii několik, společně tvořící meandr. Někdy může být tenzometr vytvořen do kříže pro měření sil ve dvou směrech. Obr. 4.7: Příklady konstrukcí vrstvových tenzometrů

46 46 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Tenzometry se používají nejčastěji pro měření tlakové (tahové) síly, tlaku, momentu kroucení, zrychlení, atd. 4.5 Odporové senzory teploty Odporové senzory teploty pracují na principu výměny tepla. Senzor ovlivňují různé druhy přenosu tepla, přičemž jeden je funkční a ostatní působí jako parazitní. Odvod nebo přívod tepla může být proveden prouděním, vedením nebo zářením. U odporových senzorů teploty je obecný požadavek na použitý materiál, u kterého je vyžadován velký a stálý teplotní součinitel odporu. Používají se senzory kovové nebo polovodičové Odporové kovové snímače teploty U odporových kovových senzorů teploty se měří vlastní odpor kovu tvořící odporový článek. Požadavky na použitý materiál jsou malá změna teplotního součinitele odporu s časem, malá hystereze a kovy nesmí reagovat s izolačním nebo ochranným materiálem teploměru. Pro realizaci článku se využívají nejčastěji z čistých kovů platina, nikl, měď, stříbro a zlato a ze slitin stříbro-zlato a platina-iridium. Platina je výhodná pro chemickou stálost, vysokou teplotu tavení a možnost dosažení vysoké čistoty. Proto se platina využívá jako etalonový teploměr od 259 C do 631 C. Nikl se využívá v rozsahu teplot od 60 C do 150 C, stříbro lze použít do 200 C, zlato do 400 C a slitina stříbro-zlato do 120 C. Měřicí odporový článek se bez planární technologie konstruuje v plochém nebo válcovém provedení s bifilárním vinutím drátku. Průměr drátku je přibližně 0,04 mm. Jako podložka se používá tvrzený papír, sklo, slída nebo keramika. Při měření se využívá často bezproudového režimu, méně často proudového režimu, neboť procházející proud ohřívá senzor. Je nutná kompenzace vlivu přívodů Odporové polovodičové snímače teploty Odporové polovodičové senzory teploty rozdělujeme na monokrystalické bez PN přechodu nebo s jedním nebo více PN přechody, a polykrystalické termistory. Monokrystalické snímače teploty bez PN přechodu využívají závislosti odporu vlastního nebo nevlastního polovodiče na teplotě. Detailněji jsou popsány v kapitole 8.1. Výhodou je velká časová stálost měřicích odporových článků. Senzory se mohou konstruovat nejen polovodičovou technologií, ale i TNV technikou. Monokrystalické senzory teploty s PN přechody naleznete v kapitole 8.2. Vedle zmíněných snímačů se pro měření teploty využívají snímače infračerveného záření popsané v kapitole Odporové oxidokovové termistory Termistorové senzory jsou založeny na principu změny rezistivity (měrného odporu) se změnou teploty u kovových oxidů, piezoelektrické keramiky, případně dalších materiálů, Obr Vyznačují se velkou citlivostí a přesností, zejména pro běžné okolní teploty (v tzv. biologickém rozsahu 30 C až +60 C). Odtud také plyne možnost jejich širokého využití v aplikacích pro životní prostředí. Podle teplotního koeficientu změny rezistivity (TCR) dělíme termistory do dvou základních oblastí, na PTC (Positive Temperature Coefficient) a NTC (Negative Temperature Coefficient) termistory: a) PTC termistory Konvenční typy PTC termistorů jsou založené na teplotní závislosti elektrických vlastností hranic zrn legovaných piezoelektrických keramických materiálů (např. BaTiO 3 ). Vyznačují se strmým nárůstem měrného odporu při určité teplotě, což je určuje zvláště pro

47 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 47 použití jako součásti samoregulačních topení, proudové omezovače, atd. Další teplotně závislé rezistory byly vyvinuty na základě poměrně lineárního chování PTC nalezeného v lehce dopovaném křemíku. Tlustovrstvé pasty s velkým kladným teplotním koeficientem (PTC) změny rezistivity se používají k výrobě senzorových prvků pro přímé měření teploty. PTC termistorové cermetové materiály mají po nanesení a vypálení TCR kolem ppm/ C. Vedle těchto speciálních PTC termistorových past se využívá i standardních vodivých a odporových past, které mohou mít teplotní závislost v rozsahu ppm/ C. Odporová pasta může být nanesená přímo na substrát nebo na dielektrickou pastu nanesenou na substrát (tato varianta se vyznačuje větší změnou teplotního koeficientu a lepší linearitou). Pasty na bázi BaTiO 3 a polymerní uhlíkové pasty jsou charakteristické prudkým nárůstem odporu při určité teplotě, a proto se často využívají jako teplotní spínače, resp. proudové omezovače. Shrnutí udává následující přehled materiálů pro TLV PTC termistory: speciální termistorové PTC pasty s lineárním nárůstem odporu ( ppm/ C) běžné vodivé a odporové pasty s velkou teplotní závislostí rezistivity ( ppm/ C) pasty na bázi BaTiO 3 s prudkým nárůstem odporu při určité teplotě polymerní pasty na bázi uhlíku pro spínací PTC termistory Obr. 4.8: TLV termistor od TLV rezistoru se liší jen typem pasty Pro cermetové PTC pasty se většinou používají keramické substráty. Pro polymerní uhlíkové PTC se mimo to používají i polyesterové substráty, které mohou být ohýbány do různých tvarů, např. pro vytvoření velice lehkých, nízkoprofilových a flexibilních samoregulačních ohřevných článků s vestavěnou proudovou ochranou. Jako konkrétní příklad PTC termistorové pasty může posloužit cermetový termistorový systém řady PTC-2600 od firmy Electro-Science Laboratories, Inc. (ESL) [8]. Série termistorových past PTC-2600 je určena pro výrobu termistorových vrstev s kladným teplotním koeficientem. Používá se pro aplikace s požadavkem na přímé umístění termistoru na substrát. Materiály jsou užitečné všude tam, kde je požadována teplotní kompenzace hybridních obvodů a rychlá odezva senzoru. Pokud používáme pastu jako teplotní senzor, obdržíme lineární odezvu až do teplot přes 300 C. Pasty řady PTC-2600 mohou být použity jako náhrada za diskrétní termistorový čip. Výhody spočívají ve snížení rozměrů současně se snížením výrobních nákladů. Vlastnosti termistorové pasty řady PTC ukazuje Tab. 4.2 a Obr. 4.9.

48 48 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Tab. 4.2: Vlastnosti cermetového PTC termistoru řady PTC-2600 od firmy ESL [8] Síla vysušené natištěné vrstvy: (na 96% Al 2 O 3 ) Použitá pasta Rezistivita (25 C) (vrstvový odpor) "Horký" TCR (ppm/ C) (25 C až 125 C) 22,5±2,5 m "Studený" TCR (ppm/ C) ( 55 C až +25 C) PTC /±10% +4000± ±500 PTC /±10% +4100± ±500 Obr. 4.9: Teplotní závislost elektrického odporu cermetových PTC termistorových past řady PTC-2600 (pro rezistor 1 mm 1 mm) vyráběných firmou Electro-Science Laboratories, Inc. [8] b) NTC termistory NTC termistory jsou založeny na principu negativní teplotní změny rezistivity u keramických polovodičů vyrobených z kovových oxidů. Polovodičové oxidy, jako např. přesně nastavené směsi oxidů Mn, Co, Ni, Cu a Zn, mají záporný teplotní koeficient, tzn., že s rostoucí teplotou jejich rezistivita klesá a naopak [9], [10]. Závislost odporu na teplotě u NTC termistorů lze vyjádřit vztahem: 1 1 R T R 0 exp, (4.3) T T0 kde β je materiálová konstanta nazývaná termistorová konstanta a teploty se dosazují v Kelvinech. Pro teploty v rozsahu od 150 K do 600 K lze uvažovat [9]: TCR. (4.4) 2 T Citlivost NTC termistorů se běžně pohybuje kolem 200 W/ C. Do rozsahu 300 C jsou velice přesné (typická tolerance termistorů je ± 0,1 C až ± 0,2 C pro teplotní rozsah 0 C až 100 C) a vyznačují se výbornou stabilitou [10]. Mají malé rozměry, bývají tedy velmi rychlé a umožňují monitorovat mimo jiné i teplotní stres a vibrace. Teplotní koeficient změny odporu TCR se pohybuje v rozsahu 3 až 6 %/ C [14]. Silná teplotní závislost (tj. velká citlivost) termistorů ale nemusí být nutně ve všech aplikacích ceněnou vlastností. Pro tyto případy však existují i NTC termistorové pasty s nižším teplotním koeficientem, kolem 0,7 %/ C. TLV NTC termistory jsou charakteristické velkou flexibilitou návrhu, malými rozměry a nižšími výrobními náklady ve srovnání s diskrétními součástkami. TLV NTC materiály se používají pro generování signálu odpovídajícího měřené okolní teplotě, např. ve

49 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 49 významu vestavěné teplotní kompenzace elektrického obvodu. Hodí se i pro přímé měření teploty na větší vzdálenosti, protože teplotní závislost drátového vedení je proti odporu termistoru zanedbatelná (na rozdíl např. od RTD). Použitím technologie tlustých vrstev dosáhneme opakovatelných vlastností, čímž se zvýší vzájemná zaměnitelnost senzorů a odpadne potřeba rekalibrace. Tyto skutečnosti se dnes využívají např. v lékařství [10]. Pro výrobu se používá klasická cermetová technologie: zpracování keramiky, vytvoření a příprava prášku z kovového oxidu, mletí a smíchání s pojivy, nanesení na substrát (většinou keramický) a vypálení. Rozměry takového senzoru jsou běžně čtverce s délkou hrany okolo 0,25 mm až 1,5 mm [10]. Proti okolním vlivům se termistory chrání např. fenolickými nebo epoxidovými materiály, PVC nebo polyimidy, případně sklem, atd. Jako u PTC past se s výhodou využívají pro aplikace s požadavkem na přímé umístění termistoru na substrát. Jako příklad vlastností v praxi používaných NTC termistorových past může posloužit série NTC 2100 termistorových kompozic od firmy ESL [8], Tab. 4.3 a Obr Tab. 4.3: Vlastnosti cermetových NTC termistorů řady NTC-2100 od firmy ESL Označení pasty Průměrné od 55 C do 125 C Nominální vrstvový odpor [/] Rozsah odporu [] NTC NTC ,1 k 10 1 k NTC k k NTC k 1 k 100 k NTC k 10 k 1 M NTC k 100 k 10 M Obr. 4.10: Závislosti odporu na teplotě u NTC termistorových past série NTC-2100 firmy ESL. Platí pro rezistor 1 mm x 1 mm a tloušťku natištěné zasušené vrstvy 25 µm [8] 4.6 Odporové senzory vlhkosti U odporového snímače vlhkosti je možnost jak přímého tak nepřímého měření. Přímé měření se využívá pro pevné a sypké látky, kdy se systémem elektrod změří vodivost látky (Obr. 4.11), která je závislá na její vlhkosti. K měření se užívá střídavé napětí. Tato

50 50 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně metoda je výhodná pro měření vlhkosti dřeva, obilí, textilu, apod. Tyto senzory patří více do chemických senzorů popsaných podrobněji v kapitole 11), kde jsou popsány. Nepřímé měření je založeno na měření teploty, rozdílu teplot nebo polohy. Nejčastější jsou pro plyny dvě metody psychometrická a hygrometrická. Psychometrická metoda využívá rozdílu teplot mezi mokrým a suchým teploměrem, z níž lze usoudit vlhkost plynu. Hygrometrická metoda je založena na schopnosti některých látek udržovat svoji vlhkost v rovnováze s vlhkostí okolního vzduchu. Změny vlhkosti jsou převáděny na změny odporového článku. Podmínkou této metody je vratnost děje. 4.7 Odporové senzory záření Obr. 4.11: Struktura odporového senzoru vlhkosti Odporové senzory záření se v polovodičové oblasti dělí na senzory bez PN přechodu (fotorezistory) a na senzory s PN přechodem (fotodiody, fototranzistory), popřípadě s PIN strukturou. Fotorezistory jsou jednou ze základních elektronických součástek. Jsou to odporové senzory založené na změně vodivosti polovodiče působením elektromagnetického záření (nejčastěji světelného). Rozlišuje se kladný a záporný fotoelektrický vodivostní jev (kladný zvětšení vodivosti, záporný zmenšení vodivosti). U používaných polovodičů se využívá kladný fotoelektrický vodivostní jev. Ten je způsoben generací volných nosičů náboje vlivem absorbované energie. Senzor je často konstrukčně řešen nanesením vrstvy fotocitlivého materiálu (např. sulfid kademnatý) na podložku s dvojicí napařených kovových kontaktů. Pro dosažení maximální účinnosti je citlivá vrstva navržena do tvaru meandru (Obr. 4.12) a je krytá vrstvou, která je pro záření propustná. Celek je umístěn do plastového nebo kovového pouzdra. Ostatní typy založené na PN přechodu naleznete v kapitole 8.4 a 8.5. Obr. 4.12: Běžně vyráběný fotoodpor

51 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 51 Do této skupiny snímačů teploty patří i bolometrické senzory pracující na principu bolometrického jevu, při kterém dopadající záření vyvolává zahřívání citlivé vrstvy senzoru, která má velký teplotní koeficient rezistivity. Na výstupu bolometrického senzoru napájeného proudem i měříme napětí U B : U B ir 2 RT [V] (4.5) kde je teplotní koeficient odporu, T změna teploty senzoru vlivem záření. Citlivost bolometrického senzoru se vyjadřuje veličinou U B /P opt [V.W 1 ], kde P opt je zářivý tok dopadajícího záření. Termistorové a vrstvové (Tl 2 SeAs 2 Te 2 ) bolometry pro oblast viditelného a blízkého IR záření mají citlivost VW -1. V dnešní době se využívá nechlazených mikrobolometrů na čipu uspořádaných do matice. Tyto čipy obsahují ve druhé vrstvě elektroniku pro zpracování a kompenzaci signálů a používají se pro termovizi (Obr a Obr. 4.14). Materiál odporu je často na bázi vanadu nebo titanu. Obr. 4.13: Struktura termovizního čipu s detailem jednoho bolometrického elementu [11] Obr. 4.14: Detailní struktura mikrobolometru s vrstvovým odporovým meandrem na tenké membráně [11]

52 52 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 4.8 Další odporové senzory Mezi další typy senzorů založených na principu změny odporu patří: Odporové senzory magnetických veličin u magnetorezistorů působí magnetické pole na elektrony s rychlostní složkou kolmou ke směru magnetického pole. Výsledné složité dráhy elektronů lze rozdělit na dvě složky: kolmou a souběžnou se směrem elektrického proudu, jejichž výslednice je dána tzv. Lorentzovými silami. Konstrukce odporu je postavena na tenké destičce z 20 % železa a 80 % niklu o délce mnohem kratší než je šířka. Odpor je dán vztahem: R R0 1 tan 2 B, (4.6) kde µ je pohyblivost nosičů. Příklad diody, kde každá část diody nese jinou velikost proudu, je uveden na Obr Obr. 4.15: Magetoodpor založený na Hallovu jevu způsobený Lorentzovými silami [31] Odporové senzory vakua princip senzoru využívá odporového kovového nebo polovodičového článku, který je zahřátý na teplotu okolí. Teplota článku je závislá na tepelné vodivosti okolního plynu a tato je dána tlakem plynu. V ustáleném stavu platí pro tepelné ztráty: P RI 2 P P P, (4.7) v z p kde P v jsou ztráty vedením v plynu, P z jsou ztráty zářením, P p jsou ztráty vedením v přívodech. Senzory i měřený prostor musí být teplotně stabilizovány. Senzory se využívají pro tlaky po 10 2 Pa, výjimečně po 10 4 Pa. Odporové analyzátory plynů kapitola 11.4.

53 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy Elektronické detektory pro odporové senzory Nejjednodušší měření odporu je za využití operačních zesilovačů (OZ). Odporem by měl procházet referenční proud. Úbytek na odporu může být snímán přístrojovým (rozdílovým) zesilovačem nebo je využito invertující zapojení zesilovače (Obr. 4.16). Obr. 4.16: Invertující zesilovač pro měření odporu V tomto případě máme dvě možnosti: snímací odpor je R 1 nebo R 2. Pro R 1 bude závislost výstupního napětí nelineární, při využití R 2 bude převodní charakteristika lineární. Nejcitlivější měření odporu je můstková metoda. Místo galvanometru je užit rozdílový operační zesilovač, který zesiluje rozvážené napětí můstku, jak je ukázáno na Obr R1 Vyváženost můstku je dána poměrem R2 napětí ΔU na vstupu zesilovače a jeho zesílení A. U R4. Výsledné napětí je určeno rozdílen R R OUT A U U 2 U1 U DD U DD (4.8) R3 R4 R1 R2 Položíme-li odpory stejné, a R 4 jako odpor jenž se působením nějaké veličiny změní o ΔR, pak platí R 1 R2 R3 R R R R, (4.9) R R 4 0,5 U OUT A U DD, (4.10) 2 což znamená nelineární závislost výstupního napětí na změně odporu. R U DD R 4 R 1 U N U P R 3 R 2 U OUT 0V Obr. 4.17: Wheatstonův můstek s rozdílovým zesilovačem

54 54 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Jistou linearizaci dosáhneme, zvolíme-li R 3 jako odpor závislý na měřené veličině, tedy podobně R 1 R2 R4 R R R R. (4.11) R R 3 Potom můžeme říci, že závislost je lineární, jak ukazuje následující vztah: 0.5 U OUT A U DD. (4.12) 2 Výhodné uspořádání pro tenzometry ukazuje Obr Obr. 4.18: Membrána se čtyřmi tenzometry Změna odporů na jednotlivých rezistorech se pak projeví následovně: R 1 2 3, 4 R, R R, R R R R (4.13) Toto rozmístění, kde dva odpory svoji hodnotu sníží a dva zvýší, zvyšuje citlivost můstku v zapojení podle Obr až čtyřikrát.

55 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 55 5 Kapacitní senzory 5.1 Obecné vlastnosti Základem kapacitního snímače je dvou nebo několika elektrodový systém s parametry měnícími se působením měřené neelektrické veličiny. Pro kapacitu jednoduchého rovinného kondenzátoru platí: S C 0 r d (5.1) kde S je plocha elektrod, d je vzdálenost elektrod, 0 je permitivita vakua a r je relativní permitivita. Zapojení kapacitního snímače k měřicímu obvodu ukazuje Obr Odpor R P je izolační odpor, C P je kapacita kabelu, L V je indukčnost kabelu a R V vlastní odpor kabelu. Snímač Spojovací vedení Měřicí obvod R V /2 L V /2 R iz C C P R iv R V /2 L V /2 Za předpokladu, že platí R V Obr. 5.1: Zapojení kapacitního snímače k měřicímu obvodu, L V 1 1 RP,, (5.2) C C P nedochází k ovlivňování snímače změnou elektrických parametrů kabelu a lze zanedbat parazitní vlivy způsobené veličinami L V, R V, R P, C P. Pak pro změnu kapacity platí: C C S S C d C d r 0 r (5.3) Uvedený vztah platí za předpokladu homogenního elektrického pole mezi elektrodami kapacitoru. Vzhledem k okrajovým nehomogenitám elektrických polí vznikají i při vhodném uspořádání elektrod odchylky od vztahu (5.3). Z rovnice (5.3) vyplývá, že změnu kapacity lze způsobit změnou plochy elektrod S, vzdálenosti elektrod d nebo změnou relativní permitivity r : Změna vzdálenosti elektrod (změna d) Nejjednodušším typem kapacitního snímače je jednoduchý deskový kapacitor s proměnnou mezerou mezi deskami. Za předpokladu, že S = konstanta a r = konstanta platí při změně vzdálenosti elektrod o vzdálenost d pro kapacitu vztah:

56 56 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně C S S..., (5.4) d d d 1 0 r 0 r. Potom, pro poměrové měření, platí: C1 C a závislost je nelineární. 1 1, (5.5) d 1 d Změna plochy elektrod (ΔS) je dalším jednoduchým principem kapacitních snímačů. Za předpokladu, že d = konstanta, r = konstanta a plocha překrývajících se elektrod je obdélníková o stranách b a l (viz Obr. 5.2), přičemž b = konstanta, lze pro kapacitu snímače napsat vztah:.. b. l C 0 r. (5.6) d Největší kapacitu c max získáme při plném překrytí elektrod l max a pro poměrové měření platí: C l. (5.7) C max l max Obr. 5.2: Náčrt senzoru se změnou plochy elektrod a s popisem parametrů Charakteristika závislosti senzoru je lineární (viz Obr. 5.3). Při parazitním vlivu vzdálenosti elektrod o vzdálenost d platí: C C max l l max 1 d. (5.8) 1 d d Při malé změně vzdálenosti elektrod, kdy 1platí vztah: d C C max l d (1 ). (5.9) l d max

57 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 57 Obr. 5.3: Normalizovaná charakteristika senzoru se změnou plochy elektrody U změny dielektrika (změna r ) se předpokládá, že S = konstanta a d = konstanta. Jsou možné tři různé způsoby změny kapacity: 1) změna plochy dielektrika charakteristika je lineární. Je-li C 0 kapacita bez dielektrika, C je potom kapacita pro určitou délku l vloženého dielektrika mezi desky senzoru (viz Obr. 5.4) a označíme-li C = C C 0, potom platí: C C 0 l l max K, (5.10) kde K je konstanta související s konstrukcí snímače. l max d 1 d 2 ε 2 ε 1 d l l C A C B Obr. 5.4: Náčrt senzoru se změnou plochy dielektrika a s označením parametrů 2) změna tloušťky dielektrika charakteristika snímače je nelineární (Obr. 5.5). Využívá se dvou materiálů s různou permitivitou, jak ukazuje Obr Např. kapalné dielektrikum a vzduch. Platí: C C d 1, (5.11) d 1 d d 2 2 kde d d1 a d d2 jsou tloušťky jednoho a druhého materiálu dielektrika, 1 a 2 jsou permitivity jednoho a druhého materiálu dielektrika.

58 58 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 5.5: Charakteristika senzoru se změnou tloušťky dielektrika ε 1 ε 2 d 1 d 2 d Obr. 5.6: Náčrt senzoru se změnou tloušťky dielektrika s popisem parametrů 3) změna permitivity dielektrika permitivita dielektrika je ovlivněna neelektrickou veličinou. To vede ke změně kapacity snímače. Předpokládá se, že r = f (neel.veličina) a tloušťka d a plocha S dielektrika jsou konstantní. Náhradní schéma kapacitního snímače popisuje Obr Snímač neobsahuje jen čistou kapacitu, ale taky parazitní indukčnost a odpor. Vliv parazitní indukčnosti je možné pro většinu případů zanedbat. Odpor R iz představuje svod a dielektrické ztráty kapacitoru C, R v pak reprezentuje odpor elektrod a přívodů. R iz C R v C Obr. 5.7: Náhradní zapojení kapacitního snímače; vlevo má větší vliv parazitní R iz, vpravo R v 5.2 Diferenční kapacitní snímač Budou-li využity dva kapacitory pracující podle vztahu (5.6), lze získat diferenční převodník polohy (Obr. 5.8a) v jednom směru. Při pohybu elektrody 3 je změna kapacit vůči elektrodám 1 a 2 přibližně lineární (Obr. 5.8b), neuvažujeme-li okrajové rozptylové pole. Při poměrovým měření, které zajistí necitlivost na změnu vzdálenosti a dielektrika, bude výstupní veličina u úměrná poměru: u C C (5.12) 23 C C 13

59 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy x 2 a) C 13 C 13 + C 13 C 23 b) -x +x Obr. 5.8: Diferenční kapacitní senzor s proměnnou plochou: a) princip, b) převodní charakteristika Jednou z obměn tohoto kapacitního snímače je čtyřkvadrantový snímač, který slouží k vyhodnocení překryvu 4 ploch jednou horní elektrodou. Lze ho tedy využít jako snímač polohy v obou osách x-y, viz Obr Poměrovým měřením můžeme opět získat lineární závislost výstupních veličin necitlivou na změnu ostatních parametrů kapacitoru. 1 y 2 x 3 4 Obr. 5.9: Čtyřkvadrantový kapacitní snímač 5.3 Aplikace Kapacitní snímače využíváme především v těch aplikacích, kde se uplatňuje jednoduchost jejich konstrukce, malá hmotnost elektrod a další jejich přednosti. Nevýhodou je nutnost kompenzace parazitního vlivu spojovacího kabelu. Jelikož kapacita snímače závisí na jeho rozměrech, mohou změny rozměrů snímače způsobené teplotou zapříčinit při nevhodné konstrukci snímače značné chyby měření. Pomocí kapacitních snímačů se měří především poloha (geometrické rozměry), tlaková síla, tlak, krouticí moment, hladina, vlhkost, zrychlení, koncentrace plynů, atd. (Obr. 5.10). Technologii využívanou pro výrobu mechanických částí kapacitních senzorů řadíme do oblasti mikroobrábění popsané v kapitolách až Obr. 5.10: Schématické znázornění planárních kapacitních senzorů polohy A) pro měření absolutní a diferenční, B) pro převod zrychlení na polohu Kapacita senzorů vyrobených TNV nebo TLV technologií se pohybuje v rozsahu pf. Senzory tlaku od firmy Texas Instruments 2CP5/2CP50 mají maximální rozsah 0

60 60 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 650 psi, minimální rozsah 0 15 psi, přesnost ±1,2 % z rozsahu, chyba vlivem teploty ±0,013 %/ C. Další senzory této firmy 61CP pracují s vyšší přesností na stejných rozsazích s ±0,75 % z rozsahu, vliv teploty ±0,02 %/ C. Oba typy mají napájení 5 V, výstupní napětí v rozsahu 0,5 4,5 V. Na změně vzdálenosti pracuje i senzor zrychlení firmy Texas Instruments pod označením CAS. Umožňuje měřit na minimálním rozsahu 1 g a maximálně do 10 g s citlivostí 0,2 2 V/g, chyba ±3 %, vliv teploty ±0,03 %/ C a napájení 5 V. Citlivý element je vyroben TLV technologií na keramickém substrátu MEMS snímač polohy Snímače polohy řešení v technologii MEMS vycházejí z předchozích principů, pouze způsob konstrukce odpovídá možnostem technologie. Využívá se hřebenové struktury s pevnými a pohyblivými hřebínky. Řešení kapacitního MEMS snímače polohy firmou Analog Devices ukazuje Obr Délka elektrod je 150 µm, vzdálenost mezi elektrodami 1 µm. Kapacita mezi elektrodami je 3 ff a celková kapacita senzoru 120 ff odpovídá 40 pohyblivým hřebínkům. Ke každému hřebínku náleží dvě pevné elektrody, vytvářející vzájemně rozdílovou kapacitu. Rozlišení tohoto MEMS senzoru převedeno na vzdálenost je 0,025 Å při rezonančním kmitočtu senzoru 10 khz, což odpovídá citlivosti 12 af/å. Obr. 5.11: Kapacitní snímač polohy [29] Pohyblivá část se vznáší díky působení elektrostatického pole, které vrací hřebínky vždy do výchozí (nulové) polohy. Jak ukazuje principiální schéma (Obr. 5.12), tento diferenční senzor umožňuje snímat polohu pouze v jedné ose.

61 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 61 Obr. 5.12: Princip diferenčního snímaní u kapacitního MEMS snímače polohy [29] Od tohoto kapacitního MEMS snímače polohy je už jen kousek k realizaci systému citlivého ve všech směrech (Obr. 5.13). Si substrát Detekční elektroda Řídicí elektroda Řízené kapacitory Setrvačná hmota Vymezující závěsy Měřicí kapacitory z y x Ukotvení Podpůrné závěsy z y x y z x Obr. 5.13: Princip konstrukce 3D kapacitního planárního senzoru. Tyto principy umožňují konstrukci vibračně-úhlového planárního gyroskopu. Detailní konstrukce gyroskopu je lépe vidět na příkladu od Analog Devices (Obr. 5.14). V x-ové ose jsou řízeny oscilace, v ose y působí Coriolisovy síly. Citlivost na rotaci je v ose z. Snímaný signál je amplitudově modulován.

62 62 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Ukotvení struktury k substrátu Vstupní rotace Měřicí mód Výchylka hodnoty měřené kapacity interdigitální hřebínkové struktury Tloušťka: Šířka: Délka: 2 μm 1 mm 1 mm Obr. 5.14: Kapacitní gyroskop [29] Předchozí příklad ukazuje, že gyroskopy mohou mít jednu souřadnici v polárních souřadnicích. Příklad ryze úhlového gyroskopu je na Obr Kapacitní senzor teploty Obr. 5.15: Dvouosý gyroskop [13] Dalším příkladem kapacitního senzoru je méně běžný kapacitní senzor teploty s bimetalovou elektrodou založený na principu změny vzdálenosti elektrod a vyrobený TLV technologií [14]. Druhou elektrodu kondenzátoru tvoří vodivá pasta natištěná na substrátu. Tato elektroda je zapojena do obvodu, bimetalová elektroda je na nulovém potenciálu. Se změnou teploty dojde k prohnutí bimetalového proužku a tím i ke změně kapacity kondenzátoru. Tuto změnu následně vyhodnotí další elektrické obvody realizované na substrátu. Horní bimetalovou elektrodu lze sice do obvodu připojit (např. nakontaktováním pomocí tenkých Au nebo Al drátků [4]), vhodnější je ale použít uspořádání se dvěma

63 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 63 vzduchovými kondenzátory v sérii, kde bimetalový proužek tvoří společnou horní elektrodu dvěma elektrodám natištěným na substrátu. Výhodou tohoto senzoru je jeho jednoduchost a nízké náklady (na elektrody není potřeba používat speciálních past). Nevýhodou je nutnost umístění bimetalového proužku do blízkosti substrátu, což představuje montážní operaci navíc. Teplotní rozsah a přesnost tohoto senzoru záleží na vlastnostech bimetalového proužku a na geometrickém uspořádání celého kondenzátoru. Hlavní vliv má velikost a tvar elektrod a vzdálenost bimetalového proužku od substrátu (mezera představuje vzduchové dielektrikum). Čím bude mezera menší, tím bude mít senzor větší přesnost, ale zároveň se sníží jeho měřicí rozsah, a naopak Kapacitní senzor vlhkosti Jako další příklad lze uvést kapacitní senzor vlhkosti se změnou permitivity dielektrika. Vlhkostní převodníky kapacitního typu využívají toho, že sorpce molekul s velkým dipólovým momentem, jako je voda, vede ke zvýšení dielektrické konstanty polymerních vrstev. Se změnou vlhkosti se změní i vlastnosti dielektrické vrstvy a tím dojde i ke změně kapacity senzoru, která se následně vyhodnotí. Převodník se skládá z vrstvy vhodného polymerního dielektrika, které se umístí mezi dvě vodivé vrstvy tvořící elektrody. Uspořádání musí dovolovat přístup vlhkosti k polymerní vrstvě. To je důvodem využití tzv. interdigitální struktury, která sice umožňuje tvorbu jen malých kapacit, ale nabízí možnost vystavení velké plochy citlivého polymeru působení okolí. Kapacitní polymerní převodník vlhkosti vyráběný firmou Vaisala je zobrazen na (Obr. 5.16). Jedná se o TNV senzor, jehož spodní dvojice elektrod je nanesena na skleněný substrát napařováním iridia. Přes elektrody je potom na povrch nanesen ve formě tenkého dielektrika citlivého na vlhkost acetát celulózy rozpuštěný v 1,2-dichloretanu (etylendichloridu, EDC). Horní vrstvu tvoří zlatá elektroda, která je dostatečně tenká a porézní, aby umožnila rychlý přenos vlhkosti. Horní elektroda plní funkci společné opačné elektrody oběma spodním elektrodám. Kapacita je přibližně přímo úměrná okolní vlhkosti. Senzor vykazuje hysterezi méně než 2% RH a 90% časová odezva je menší než 1 s. horní elektroda 65 kapacita [pf] 100 Hz polymer citlivý na vlhkost spodní Au elektrody přívody khz 10 khz 1 MHz 100 khz 10 MHz skleněný substrát 6mm x 4mm, tloušťka 0,2 mm relativní vlhkost [%] Obr. 5.16: Převodník HUMICAP vyvinutý firmou Vaisala, jeho princip a charakteristiky [21].

64 64 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Senzor otisku prstů Posledním příkladem kapacitního senzoru je senzor otisku prstů. Polovodičový kapacitní senzor v CMOS technologii byl využit také pro realizaci snímacího čipu otisku prstů (viz Obr. 5.17). Celý čip se skládá z velkého množství článků uspořádaných do matice a určujících rozlišení. Článek pracuje ve dvou fázích: v první je nabíjecí zesilovač resetován a je zkratován vstup i výstup invertoru. Během této fáze se výstup invertoru ustálí na jeho logické rozhodovací úrovni. Během druhé fáze je určité množství náboje uzemněno ze vstupu, způsobující inverzní napětí na výstupu, které je úměrné zpětnovazební kapacitě. Ta je inverzně úměrná vzdálenosti kůže, přičemž výstupní napětí je lineárně závislé na vzdálenosti kůže. Díky určitému pevnému množství odváděného náboje bude výstupní napětí invertoru v rozsahu dvou extrémů závislých na velikosti zpětnovazební kapacity: 1) vysoká úroveň za nepřítomnosti zpětnovazební kapacity; 2) napětí blízko rozhodovací hodnotě za přítomnosti zpětnovazební kapacity. Obr. 5.17: Kapacitní senzor otisku prstů Jeden z prvních prototypů byl schopen zaznamenat otisk prstů s rozlišením 390 dpi, což je dostatečné pro vysokou spolehlivost určení pomocí image processing algoritmu (nástroj pro zpracování a analýzu obrazu). Později už prototyp dosahoval rozlišení 512 dpi. 5.4 Elektronické detektory U kapacitních převodníků se nejčastěji využívá detektorů na principu měření admitance nebo integrace napětí v čase. Níže jsou uvedeny složitější, sofistikované příklady Můstkový vyvážený obvod Využívá Wheatstoneův můstek modifikovaný pro měření kapacity nebo můstek De Sauty, který je specifický pro měření kapacity, ale tyto systémy potřebují manuální vyvážení můstku. Velmi dobrým řešením je automaticky vyvažovaný můstek, který vyvinul Holmberg [23]. Je založen na můstku De Sauty, jehož výstup je nelineární funkcí odezvy senzoru. Eliminovat tuto nevýhodu je možné modifikovaným auto-vyvažovacím obvodem založeným na digitálním řízení zajišťující lineární můstek. Jak ukazuje Obr. 5.18, obvod obsahuje zpětné vazby. První, tvořená zesilovačem A 1, zajišťuje nulové napětí v jednom bodě můstku a vytváří tak závislost kapacitního proudu na C S prostřednictvím R 1. Druhá zpětná vazba převádí proud tekoucí zesilovačem

65 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 65 tvořeným A 2 na napětí U 0. Toto napětí je porovnáno fázovým detektorem s referenčním napětím U ref posunutým o 90º. Počítač čte výstupní napětí fázového detektoru a vypočítává napětí U C/10 přiváděné na násobičku pro vyvážení kapacitního proudu. Pak je proud tekoucí zesilovačem A 2 nulový a kapacity jsou si rovné. U ref =A sin( t) ~ U c /10 C s =C 0 +C M 1 x R f C 1 A 1 A 2 R 1 R 2 U 0 (t) U ref Fázový posun 90 Fázový posun 90 Fázový detektor Fázový detektor U c /10 U dc (C) ADC/DAC jednotka a mikrokontrolér ADC/DAC jednotka a mikrokontrolér 150 Odhadovaná kapacita [pf] Obr. 5.18: Automaticky vyvažovaný můstek podle De Sauty a jeho charakteristika Je-li nezatížený můstek vyvážen, platí: R U 2 C C0 C1. (5.13) 10R1 Převedená změna kapacity C zatíženého můstku je vyjádřena napětím U dc : U dc Výstup můstku [V] R 2 f. (5.14) R 1 C C R A Výstup zatíženého můstku je nulový pro R U 1 10R C C C, (5.15)

66 a pro 66 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně U dc R2 U C0 U CC R1 2 C C0 C C1 Rf A. (5.16) R 10 R Metoda redukuje drifty a offsety obvodu. Standardně je chyba v rozsahu měřené kapacity pf lepší než 0,1 pf Nábojově vyvážený SC-oscilátor Metoda je velmi málo citlivá na svodovou vodivost a na drift díky auto-kalibrační technice nazývané tří signálová metoda [24] a využívá se pro integrovanou senzoriku. Dále eliminuje offsety zesilovačů a komparátorů a zpoždění oscilační vazby. Využívá integrační přerušované techniky se sekvencí +--+, +--+,., redukuje efekt šumu daný 1/f a drift excitačního signálu V ex. Celková perioda výstupního signálu oscilátoru je comp off ex s T Iˆ ˆ ch I ch 1 Vˆ C Vˆ C T T (5.17) V zapojení uvedeném na Obr je během nabíjecího cyklu měřená kapacita C s nabita na napětí V ex. Časový interval T 1 je určen nabíjecím proudem I ch. Během vybíjecího periody T 2 musí být C s a C off vybity. C ref a C 01 zajišťují kalibraci během nabíjecíhovybíjecího cyklu. Frekvence oscilátoru je mezi 7 16 khz, závisející na signálu senzoru. Standardní odchylka pro případ C s = C ref = 2,2 pf a G s = 0, s je 0,01 % a relativní chyba je menší než 0,44 %. Jedná se o velmi přesnou metodu pro velmi malé kapacity. 2 j r1 S 3 C ref j r2 S 4 I ch C off G s V ex j c1 S 1 S 2 j c2 C s j 1 S 3 j 2 V int V OZ comp Komp. S 4 C p1 C p2 C 01 Řízení spínání a zdrojů Řízení spínání a zdrojů Kapacitní senzor C 02 j 2 j 1 V 02 V 01 Obr. 5.19: Spínané kapacity nábojově vyváženého SC-oscilátoru Průběhy nábojově vyváženého SC oscilátoru jsou zobrazeny na Obr

67 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 67 V int 0 T 11 T 12 T 21 T 22 T 31 T 32 T 41 T 42 V Cs 0 j 1 j 2 I ch 0 V ex 0 Obr. 5.20: Průběhy nábojově vyváženého SC-oscilátoru Obecné rozhraní pro kapacitní senzory Obr ukazuje rozhraní inteligentního kapacitního senzoru s více kanály. Systém pracuje s integrační metodou, jednotlivé senzory jsou pomocí multiplexoru připojovány k měřicímu obvodu, navzorkovány a odeslány na senzorovou sběrnici. Generování signálu pro senzory je prováděno D/A převodníkem se samotestováním. Celý systém pracuje s poměrovou metodou, kde kapacita senzorů je porovnávána s kapacitou referenční. Systém obsahuje i senzor teploty, jehož hodnoty lze rovněž číst prostřednictvím sběrnice. Obr. 5.21: Rozhraní pro kapacitní senzory

68 68 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr ukazuje výstup senzoru při změně kapacity po 0,5 pf. Celý mikrosystém inteligentního senzoru byl realizován na malé desce plošného spoje obsahující několik čipů, jak ukazuje Obr v porovnání s jedním americkým centem. Je to typický příklad multisenzoru. Obr. 5.22: Výstup senzoru Senzor tlaku Senzor vlhkosti Senzor zrychlení Řízení spotřeby RF vysílač Rozhraní čipů Mikrokontrolér Vypínač I/O Konektor Aktivní stínění Obr. 5.23: Inteligentní kapacitní senzor firmy Omnetics Pro dobrou linearitu charakteristiky musí být dodrženo homogenní pole mezi elektrodami. Toto nebývá splněno na okrajích elektrod, jak demonstruje Obr Z toho důvodu je u jedné elektrody vyroben stínicí prstenec, který při vhodném spojení s jednou elektrodou homogenizuje pole mezi elektrodami (viz Obr. 5.25). Budou-li páry 1, 2 nebo 2, 3 na stejném potenciálu, kapacita se nezmění, pole bude homogenní a parazitní kapacity na okrajích jsou potlačeny.

69 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 69 Obr. 5.24: Průběh pole mezi elektrodami Obr. 5.25: Detail prstence a aktivní stínění snímače

70 70 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 6 Indukčnostní senzory 6.1 Obecné vlastnosti Indukčnostní snímače jsou posledním typem parametrických převodníků. Tvoří velmi početnou skupinu snímačů, u nichž se měřená mechanická veličina převádí na změnu vlastní nebo vzájemné indukčnosti. Indukčnostní snímač se vždy skládá z jedné nebo více cívek, které bývají zapojeny do obvodu se zdrojem pomocného střídavého napětí. Obvody jsou můstkové nebo rezonanční. Zjednodušené náhradní schéma indukčnostního snímače se spojovacím vedením pro připojení do měřicího obvodu je zobrazeno na Obr Obr. 6.1: Náhradní zapojení indukčnostního snímače se spojovacím vedením pro připojení do měřicího obvodu Odpor R představuje ztráty ve vinutí a ztráty ve feromagnetiku. Kapacity C a C v modelují parazitní kapacitu vinutí a přívodu kabelu. Indukčnost L představuje indukčnost vinutí snímače. Hodnoty L v, R v udávají indukčnost a odpor kabelu. R iz je izolační odpor kabelu. Při návrhu měřicího řetězce je nutno splnit podmínku: R 1,. (6.1) C v, Lv L Riz Pro magnetický tok Φ platí vztah: z Rm v i N, (6.2) kde N z je počet závitů cívky, i je proud procházející cívkou a R m je magnetický odpor: R m l a 0 r 0 r, (6.3) S S pro délku střední siločáry l a pro a udávající délku vzduchové mezery. Indukované napětí U a v cívce lze popsat vztahem: U a d da N z N zb, (6.4) dt dt

71 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 71 kde A je účinná (efektivní plocha) a B je magnetická indukce. Pro indukované napětí na cívce lze z rovnic (6.2) a (6.4) odvodit vztah: 2 1 di U a N Z.. (6.5) R dt Pro úbytek napětí na indukované cívce platí: m di U L, (6.6) dt a při rovnosti obou napětí z rovnic 6.5 a 6.5 dostaneme pro indukčnost: 2 z N L. (6.7) R m Ze vztahu pro R m a L plyne, že maximální indukčnosti dosáhneme bez vzduchové mezery. Princip činnosti senzoru spočívá v ovlivňování magnetického odporu R m. To je možné změnou magnetického toku (senzor s proměnnou vzduchovou mezerou) nebo změnou permeability (senzory s pohyblivým jádrem). Senzory lze podle uspořádání cívky popř. magnetického obvodu rozdělit na: Indukčnostní senzory s malou vzduchovou mezerou rozsah měření je dán přípustnou změnou vzduchové mezery magnetického obvodu většinou o d = 3 µm až 5 mm (Obr. 6.2). Nelineární závislost senzoru se dá částečně linearizovat, zajistíme-li, že a << μ r. l nebo podobně jako u kapacitních senzorů diferenčním uspořádáním dvou indukčnostních senzorů. pohyblivá část vinutí jádro Obr. 6.2: Princip indukčnostního snímače se vzduchovou mezerou. Senzory s otevřeným magnetickým obvodem základem snímače je pohyblivé jádro zasouvající se do cívky (Obr. 6.3). Charakteristiku lze linearizovat v poměrně široké oblasti posunutí jádra o l = 3 µm až 100 mm diferenčním uspořádáním dvou senzorů. pohyblivá část vinutí jádro Obr. 6.3: Princip indukčnostního snímače s otevřeným magnetickým obvodem.

72 72 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Senzory se změnou plochy vzduchové mezery v některých případech používáme diferenční uspořádání nebo kombinujeme změnu plochy s tloušťkou mezery snímače. Transformátorové snímače jsou snímače, u nichž se měřená veličina vyhodnocuje prostřednictvím vzájemné indukčnosti dvou cívek. Z důvodů potlačení vlivu teploty na odpor vinutí a vlivu rozptylového pole se transformátorové snímače konstruují převážně jako diferenční. Rychlostní indukčnostní snímače jsou založeny na principu pohyblivé měřicí a pevných budicích cívek. V planární technologii lze cívky i s jádrem realizovat (Obr. 6.4), ale proces je velmi náročný na materiály a počet operací. Realizuje se jako multivrstvový prvek, kde se jedna cívka, navržená jako po částech lomená spirála, překryje dielektrickou vrstvou a proces se opakuje, dokud se nedosáhne potřebný počet závitů (Obr. 6.5). Realizace jádra je možná využitím speciálních feritových past a jejich sintrováním při vyšších teplotách. Kvalita je horší z důvodu čistoty materiálu (obsahuje adhezní příměsi) a absence tlaku při sintrování. Obr. 6.4: Princip vytváření vícevrstvé cívky s jádrem. Obr. 6.5: Vrstvení závitů v jednotlivých vrstvách po sobě k zajištění co nejlepší plananrity. V TNV technologii na čipech se obvykle cívky realizují jednovrstvé (Obr. 6.6), přičemž může být využito i odboček a propojení drátovou smyčkou vytvořenou termosonickým svařováním. Jindy může být střed vyveden izolovanou spodní vrstvou (Obr. 6.7 vlevo). Příklad mikromechanizované cívky vytvořené anizotropním leptáním je na Obr. 6.7 vpravo.

73 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 73 Obr. 6.6: Layout vrstvové cívky realizované na čipu Obr. 6.7: Fotografie TNV cívek; vlevo metalická leptaná do zlaté vrstvy, vpravo mikromechanizovaná cívka

74 74 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 7 Generátorové senzory 7.1 Termoelektrický článek Obecné vlastnosti termoelektrických článků Termoelektrický článek (termočlánek) je základem termoelektrického snímače, teploměru využívající Seebeckova efektu. Je tvořen vodivým spojením dvou různých vodivých materiálů A a B, jimiž mohou být kovy nebo polovodiče elektricky propojeny na horkém konci s teplotou T 1. Nespojené konce obou ramen jsou uchovány na jiné teplotě T 0 ( studený konec). V případě rozpojeného obvodu je proud protékající přes termočlánek nulový a na vývodech na studeném konci můžeme obdržet termoelektrické, resp. Seebeckovo napětí: U ( ).( T T ) 0.5( )( T T (7.1) 2 EM A B 1 0 A B 1 0) kde A, B, β A a β B jsou Seebeckovy koeficienty (resp. termoelektrická síla) materiálů A a B. Ty mají specifické roztažné vlastnosti, určené pásovou strukturou a příslušnými roztažnými vlastnostmi materiálů. Koeficienty α, β jsou mj. závislé na přesném složení materiálu a jeho struktuře. Hodnoty, které uvádí Tab. 7.1, vychází z určitého experimentálního měření a jsou tedy ovlivněny nečistotami, proto nemusí zcela odpovídat skutečným hodnotám. Tab. 7.1: Seebeckovy koeficienty vzhledem k olovu Kov α [µv/k] β [µv/k 2 ] Antimon 35,6 0,145 Bizmut 74,4 0,032 Konstantan 38,1 0,0888 Měď 2,71 0,0079 Nikl 19,1 3,02 Platina 3,03 3,25 Železo 16,7 0,0297 U EM se na elektricky vodivém přechodu vytvoří vždy, když v okolí vzorku probíhá teplotní gradient. Z důvodu symetrie ho neobdržíme na vývodech ze stejného materiálu. Pro malé teplotní rozdíly lze toto napětí aproximovat vztahem [9]: U EM ).( T T ) ( T T ). (7.2) ( A B 1 0 A/B 1 0 Termočlánky patří mezi nejpoužívanější teplotní senzory. Výhodami jsou zejména nízké náklady, široký teplotní rozsah ( 200 C až C) [27], robustnost, rychlá odezva a skutečnost, že samy o sobě nepotřebují napájecí zdroj. Nevýhodou je velice malé výstupní napětí, což je činí náchylné na šum. Navíc termočlánek funguje zároveň jako anténa, indukuje se zejména napětí o frekvenci 50 Hz z napájení, a proto je nutné přidat nízkopásmový filtr pro odstranění šumu. Výstupní napětí termočlánku není lineární

75 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 75 s teplotou, teplotní citlivost je malá. Termočlánky nejsou tak stabilní a přesné jako jiné teplotní senzory, typická přesnost termočlánku je kolem 1 C [28]. Obr. 7.1: Princip termočlánku Normalizovaná spojení dvou kovů ukazuje Tab Napětí U t je zaokrouhlené a liší se podle rozsahu, protože závislost na teplotě není zcela lineární. Hodnoty v celém rozsahu lze nalézt v normách ČSN včetně aproximačního polynomu pro výpočet. K prodloužení termoelektrického článku do místa srovnávacích spojů se používá kompenzačního vedení. Toto vedení je vyrobeno ze stejného materiálu jako příslušný termoelektrický článek s výjimkou vedení pro Pt/Pt+Rh. Toto vedení je obvykle vyrobeno ze slitiny Cu-Ni. Tab. 7.2: Normalizované termoelektrické články Typ Materiály Rozsah [ C] U t [µv/ C] E Chromel / Konstantan 200 až J Fe / Konstantan 200 až K Chromel / Alumel 50 až R Pt / Pt+Rh 0 až S Pt / Pt+Rh 0 až T Cu / Konstantan 200 až U termočlánků se vyskytují dva typy parazitních vlivů: 1) chyby měřicího spoje jedná se o chyby vzniklé mechanickým poškozením, stárnutím termočlánku (oxidace, koroze), apod. 2) chyba srovnávacího spoje při měření teploty termoelektrickým teploměrem je nutno udržovat konstantní teplotu studeného konce. Všechny normované články jsou definovány k 0 C studeného konce. Je možné použít lázeň vody s ledem, což je sice přesné, ale nepraktické. Obvykle se proto vyžaduje nějaká forma referenční teploty pro kompenzaci parazitního teplotního posunu na studeném konci. V praxi se používá přímé měření teploty studeného konce např. termistorem nebo vyhříváním na konstantní teplotu. Z naměřených hodnot se určí kompenzace na správnou hodnotu [28]. Elektrická kompenzace je aktivní nebo pasivní. Pokud se nebude teplota T 0 udržovat na konstantní hodnotě, vznikne chyba údaje. K samočinnému odstranění vlivu kolísání teplot srovnávacích spojů, které nejsou umístěny v termostatu, se ještě používá tzv. kompenzační krabice. Je to v podstatě můstek napájený

76 76 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně ze stabilizovaného zdroje, s jedním teplotně závislým rezistorem nebo diodou (Obr. 7.2). Zesílení zesilovače, tj. R 2 /R 1, udává změnu výstupního napětí o jeden stupeň. Obr. 7.2: Můstková kompenzace chybového napětí termočlánku Řada výrobců vyrábí obvody pro přímé měření teploty pomocí termoelektrických článků s kompenzací. Jedním z těchto výrobců je firma Analog Devices. Jejich monolitické zesilovače termoelektrického napětí AD594 (pro termočlánky typu J) a AD595 (pro typ K) obsahují přístrojový zesilovač a mají přímo vestavěny obvody pro kompenzaci nenulové teploty srovnávacího konce termoelektrického článku [29]. Základní zapojení ukazuje Obr Obr. 7.3: Základní zapojení kompenzačního obvodu termočlánku [29] Vhodným návrhem zpětnovazební operační sítě bylo dosaženo konstantního sklonu 10 mv/ C celkové převodní charakteristiky měřicího obvodu. Aby byla zabezpečena správná kompenzace chybového napětí termočlánku, které vzniká nenulovou teplotou srovnávacího konce, obsahují AD594 a AD595 také obvod generující teplotně závislé kompenzační napětí (blok ice point compensation). Toto napětí se přivádí na rozdílový zesilovač ve zpětné vazbě. Na invertujícím vstupu rozdílového zesilovače se sčítá se zpětnovazebním napětím v patřičném poměru, takže i kompenzační napětí působí

77 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 77 s převodní konstantou 10 mv/ C. Podmínkou je umístit srovnávací konec termočlánku co nejblíže tomuto integrovanému obvodu Tenkovrstvé termočlánky Pro realizaci mikrotermočlánků je možné použít různé druhy materiálů. Technologie do jisté míry změní fyzikální vlastnosti, a proto je nutné stanovení kalibračních křivek běžnými přesnými teploměry. Pro snadnější nalezení materiálů pro termoelektrické senzory byla sestavena termoelektrická řada materiálů (viz Tab. 7.3) podle termoelektrického napětí vztaženého k čisté platině. Tabulku sestavil Seebeck v roce Planární realizaci komplikuje teplotní vodivost substrátu, která musí být co nejnižší. Proto není možné použít běžné substráty jako Si nebo korund, které mají velmi dobrou teplotní vodivost. Řešení s těmito materiály je možné jen za předpokladu velmi tenké vrstvy substrátu (membrány) v místě spojení kovů. Tímto je možné eliminovat vliv teplotní vodivosti na hranici izolačních materiálů. Tab. 7.3: Termoelektrická řada materiálů Kov (materiál) Značka U t [mv/100 C] Bismut Bi 5,2 Konstantan 3,47 Nikl Ni 1,92 Paladium Pd 0,28 Platina Pt 0 Uhlík C +0,25 Wolfram W +0,65 Rhodium Rh +0,65 Měď Cu +0,72 Iridium Ir +0,68 Zlato Au +0,80 Molybden Mo +1,16 Železo Fe +1,87 Niklchrom NiCr +2,20 Křemík Si +44,08 Telur Te +50 Optimální řešení v TNV technologii ukazuje Obr. 7.4, kdy je na dielektrickou vrstvu SiO 2 naprašováním vytvořen ohřevný element z Ni-Cr a napařeno 100 sériových termočlánků původně z Cu/CuNi, později z Bi/Sb, jenž má lepší Seebeckovy koeficienty. Nakonec je z druhé strany objemovým leptáním (back etching) vytvořeno okýnko do

78 78 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně křemíku. Leptání se zastaví na SiO 2, čímž vznikne velmi tenká membrána s velmi malou teplotní vodivostí. Si substrát 6 mm x 8 mm Membrána z SiO2 1,3 mm x 5,2 mm Sériově zapojené termočlánky Topný element Topný element Membrána z SiO2 Termočlánky SiO2 vrstva Si substrát Tlustovrstvé termočlánky Obr. 7.4: Planární multi-termočlánek TLV termočlánky se vytváří použitím dvou různých vodivých past formovaných do přechodu ze dvou různých materiálů. Používá se standardních komerčních past. Protože často neznáme přesné složení komponent použitých past, stanovuje se generované elektromotorické napětí (EMF) experimentálně. Překvapivě bylo nejlepších výsledků dosaženo použitím odporových past. V Tab. 7.4 jsou uvedeny některé kombinace past vhodné pro tvorbu termočlánků. Tab. 7.4: Hodnoty elektromotorického napětí (EMF) generovaného termočlánky vytvořenými z různých tlustovrstvých materiálů (použity byly pasty firem ESL a Dupot) Kombinace past AgPd ESL 9635 ESL 2812 (100 Ω/ ) AuPd ESL 6835A ESL 2812 (100 Ω / ) AgPd ESL 9635 ESL 2811 (10 Ω / ) AuPd ESL 6835A ESL 2811 (10 Ω / ) AuPd ESL 6835A Ag DP 6320 AgPd ESL 9635 Ag DP 6320 Průměrné naměřené EMF na přechodu [µv/ C] 18,9 16,2 15,2 13,3 9,4 8,0

79 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 79 Příklad TLV realizace ukazuje Obr. 7.5, kde je vrstvový planární termočlánek tvořený sérií termopárů natištěných na dielektrické vrstvě v aplikaci jako převodník pro monitorování interakcí chemických částic a citlivé vrstvy u chemického senzoru. 7.2 Piezoelektrické senzory Piezoelektrický jev Obr. 7.5: Vrstvový planární termočlánek Piezoelektrické senzory jsou založeny na tzv. přímém piezoelektrickém jevu. Jde o jev fyzikální, při němž mechanická deformace krystalu některých krystalických dielektrických látek způsobí dipólový elektrický moment objemového elementu. Elektrické momenty všech objemových elementů způsobí polarizaci krystalu. Hodnota elektrické polarizace je číselně rovna fiktivnímu vázanému náboji na jednotkové ploše povrchu, který je kolmý ke směru vektoru polarizace. Po přiložení elektrod k povrchu krystalu vzniknou indukcí na těchto vodivých elektrodách volné náboje. Děj je vratný, tj. přestane-li mechanické napětí působit, vrací se dielektrikum do původního stavu [2]. Piezoelektrický jev závisí na směru deformace vzhledem k osám krystalu, viz Obr Krystal má tři osy, v jejichž směru může být mechanicky namáhán. Elektrický náboj vzniká jen na stěnách kolmých k elektrické ose krystalu. a) b) Obr. 7.6: Piezoelektrický snímač a) krystal křemene, b) výbrus snímače

80 80 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Podélný elektrický jev vzniká působením síly F x ve směru elektrické osy x. Vektor polarizace P e je rovnoběžný s osou x a je úměrný působícímu mechanickému tlaku: P F x e kp px kp, (7.3) S x kde p x je tlak na stěnu s plochou S x = b c působením síly F x, k p je piezoelektrická konstanta (též piezoelektrický modul). Velikost náboje na stěně kolmé k elektrické ose je podle definice elektrické polarizace dána vztahem: Q e P S k F (7.4) e x p x Velikost náboje na elektrodách není závislá na geometrických rozměrech krystalového výbrusu. Příčný elektrický jev vzniká působením síly F y ve směru mechanické osy y. Vektor polarizace působí rovněž rovnoběžně s osou x, ale má opačný směr. Pro jeho velikost můžeme opět napsat vztah: P e Pro velikost náboje platí Q e Fy kp py kp. (7.5) S y Fy S x b Pe S x kp kpfy. (7.6) S a y Z rovnice 7.6 je zřejmé, že velikost náboje na elektrodách je závislá na geometrických rozměrech. Výbrus s polepy představuje i kapacitor s kapacitou C. Pro velikost napětí z náboje (7.4) lze psát: Qe U C kpf C x a S 0 r x k p F x k kde k u je napěťová citlivost piezoelektrického senzoru. u F x, (7.7) Náhradní elektrické schéma, materiály a využití piezoelektrických senzorů Při působení neelektrické veličiny se piezoelektrický senzor chová jako generátor náboje, jehož náhradní elektrické schéma uvádí Obr Obr. 7.7: Náhradní elektrické schéma piezoelektrického senzoru Praktické náhradní schéma zapojení s piezoelektrickým senzorem zobrazuje Obr Kapacita C 0 je dána geometrickou kapacitou mezi polepy výbrusu, odpor R 0 je svodový odpor výbrusu. Nebude-li uvažována vlastní sériová rezonance, bude při polarizaci výbrusu náhradní schéma obsahovat pouze C 0 a R 0. Kmitočet deformační měřené veličiny (síly) musí být nižší, než je vlastní kmitočet výbrusu. Piezoelektrické snímače se používají do kmitočtu 10 5 Hz.

81 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 81 Obr. 7.8: Praktické náhradní elektrické schéma piezoelektrického senzoru V měřicí technice se používá pro výrobu piezoelektrických senzorů křemen (oxid křemičitý SiO 2 ) a některá feroelektrika, např. titaničitan barnatý (BaTiO 3 ) a zirkoničitan olovnatý (PbZrO 3 ). Základní vlastnosti některých používaných materiálů ukazuje Tab V měřicích zapojeních s piezoelektrickými snímači se jako vyhodnocovacích obvodů používá zesilovačů s tranzistory řízenými polem a nábojových zesilovačů. U některých snímačů je unipolární tranzistor jako impedanční oddělovač umístěn přímo v pouzdru snímače. Stejnosměrné napájecí napětí se přivádí přímo měřicím kabelem. Tab. 7.5: Základní vlastnosti některých piezoelektrických materiálů Název LGS (Langasit) KT Křemen (Quartz) Titaničitan barnatý Titaničitan olovnatozirkoničitý Chemický vzorec GaPO 4 KNbO 3 SiO 2 BaTiO 3 PbZrTiO 5 k p [10 12 CN 1 ] 4,5 50 2,3 120 Max. teplota [ C] ε r [ ] 6, , Mechanická pevnost [MPa] Meze relativní vlhkosti [%] Hustota [10 3 kg.m 3 ] ,57 4,62 2,6 6,05 7,6 Výhodou piezoelektrických senzorů jsou malé rozměry, jednoduchost a lineární převodní charakteristika. Používají se zejména k měření tlaku, tlakové síly, zrychlení, výchylky a mechanického napětí. Příklady využití ukazuje Obr. 7.9.

82 82 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 7.9: Schematické příklady využití piezoelektrických senzorů Jeden příklad využití je v oblasti vážení hmotnosti, kde se využívá piezoelektrický rezonátor. Jeho náčrt a realizaci jako mikrováhy ukazuje Obr Substrát obsahuje topný element, který udržuje pracovní teplotu na 45 C, čímž se zamezí teplotním driftům rezonančního kmitočtu senzoru. Oscilátor je založen na fázovém závěsu, jehož vstup je přepínán ze všech čtyřech senzorů. Oscilátor pracuje na kmitočtu 7,16 MHz. Hmotnostní citlivost byla dosažena 510 Hz/µg, rozlišení 40 ng. POHLED Z BOKU PZT POKOVENÍ ALUMINA POHLED SHORA 7.3 Indukční senzory Obr. 7.10: Piezoelektrické tištěné rezonanční mikrováhy [30] U indukčních senzorů se změna měřené neelektrické veličiny převádí na změnu magnetického toku Φ budicího obvodu, která vyvolá ve snímací cívce indukované napětí: dφ u N z, (7.8) dt dφ kde N z určuje počet závitů cívky a je časová změna magnetického toku vázaného se dt závity cívky. Měřená neelektrická veličina může působit buď na rychlost změny

83 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 83 magnetického toku spojeného s N z závity pevné cívky nebo při stálém toku měnit počet závitů cívky, které jsou v daném časovém okamžiku vázány s magnetickým tokem. Indukční senzory rozdělujeme na elektromagnetické a elektrodynamické podle toho, zda jde o změnu magnetického toku nebo změny velikosti vířivých proudů Elektromagnetické senzory U elektromagnetických senzorů působí neelektrická veličina na rychlost změny magnetického toku spojeného s N z závity pevné cívky. Magnetický tok se nejčastěji mění změnou impedance magnetického obvodu. Princip snímače je uveden viz Obr Obr. 7.11: Princip elektromagnetického senzoru Napětí ve snímací cívce je dáno změnou magnetického toku, přičemž pro magnetický tok platí: U Φ m, (7.9) R m kde U m je magnetomotorické napětí, R m je magnetický odpor obvodu, který lze vyjádřit při zanedbání magnetického odporu feromagnetika jako: d Rm 1 S 0 y d, (7.10) kde S je plocha vzduchové mezery, μ 0 je permeabilita vakua, d je vzdálenost pohyblivé části od pólového nástavce v počáteční poloze a y je velikost výchylky pohyblivé části. dy Z uvedeného je vidět, že výstupní napětí u snímače je úměrné rychlosti pohybu v. dt y Pro 1 lze pro výstupní napětí senzoru psát rovnici: d u N U z 0 m v, (7.11) 2 d S kde výraz ve zlomku je konstanta. Napětí je tedy přímo úměrné rychlosti změny vzduchové mezery. Základní typy elektromagnetických senzorů pro přímočarý pohyb ukazuje Obr Důležitou skupinu tvoří tzv. vibrační elektromagnetické snímače, kde mechanická soustava (struna, nosník) je elektromagnetickým obvodem rozkmitána do rezonance a měřenou neelektrickou veličinou se mění rezonanční kmitočet mechanického článku.

84 84 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Tento rezonanční kmitočet je měřen pomocí elektromagnetického obvodu, umístěného v blízkosti mechanické soustavy. Struna jako vibrační článek s elektromagnetickým snímáním kmitů se používá pro měření tlakových a tahových sil, tlaků, deformací, teploty, krouticího momentu a zrychlení. Obr. 7.12: Základní typy elektromagnetických senzorů pro přímočarý pohyb Elektrodynamické senzory Elektrodynamické senzory jsou založeny na využití Faradayova indukčního zákona. Princip senzorů je podle [2] naznačen na Obr l S 1 b 2 v l S b U v J U J i v a) b) Obr. 7.13: Elektrodynamický snímač přímočarého pohybu: a) se sběračem; b) bez sběrače V magnetickém poli se rychlostí v pohybuje elektricky vodivý pás o šířce l. Mezi body 1 a 2 naměříme napětí (je-li b > l): U B l v, (7.12) a kde B je indukce magnetického pole, l a aktivní délka vodiče a v rychlost pohybu vodiče ve směru kolmém na magnetické siločáry jak ukazuje Obr. 7.13a v řešení se sběračem. Obr. 7.13b naznačuje řešení senzoru bez sběračů. Pohybem vodivého pásu v magnetickém poli se v něm indukují vířivé proudy, které vybudí pohybující se magnetický tok a ten indukuje ve snímací cívce napětí u: dv u KB, (7.13) dt

85 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 85 kde K je konstanta senzoru. Napětí indukované ve snímací cívce je tedy úměrné zrychlení přímočarého pohybu. Pro vytvoření napětí u je třeba velké magnetické indukce B a vznikající velké vířivé proudy zahřívají vodivý pás. Uvedené snímače se používají pro měření parametrů přímočarého pohybu, vibrací a úhlové rychlosti (tachodynama a tachogenerátory). Dále se uvedeného principu využívá u indikačních průtokoměrů, přičemž se předpokládá použití vodivé kapaliny. Senzor polohy (Obr. 7.14) založený na vířivých proudech byl vyvinut pro nedestruktivní bezkontaktní testování. Makroskopické senzory přiblížení založené na vířivých proudech jsou běžně komerčně vyráběny. Senzor přiblížení (proximity sensor) není realizován na běžné úrovni konvenčních integrovaných obvodů, protože konvenční senzor na bázi vířivých proudů používá jednoduchý induktor. Miniaturní induktor vytvořený technikami používanými při výrobě integrovaných obvodů snižuje indukčnost tím, jak se dramaticky zvyšuje odpor vinutí díky snižování rozměrů (zvyšování stupně integrace). To znamená, že senzor musí pracovat na mnohem vyšších kmitočtech, kde indukčnost převyšuje odpor vinutí ωl >> R. Proto byl vyvinut nový senzor přiblížení se dvěma vázanými indukčnostmi, tvořící planární transformátor (Obr. 7.15). Tato sonda vytváří fázové posunutí mezi vstupním a výstupním signálem, jenž je necitlivý na změny odporu cívek (v závislosti na teplotě a stupni použité integrace). Tyto požadavky jsou kritické k úspěšnému využívání miniaturního integrovaného senzoru přiblížení. Užitím dvou cívek může senzor pracovat při nízkých kmitočtech, které se využívají u měření vířivých proudů jednoduchou cívkou. Tento senzor lze potenciálně využít v ložiscích, při měření malých mezer či v senzorech zrychlení. mag. pole senzoru N S S N nemagnetický substrát 0 X Obr. 7.14: Senzor polohy Obr. 7.15: Senzor přiblížení (proximity senzor) snímací část na čipu pro snímání opotřebení ložisek [32]

86 86 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 8 Polovodičové senzory Existuje široká škála polovodivých materiálů. Patří sem elementární polovodiče a rozsáhlá skupina polovodičových sloučenin, viz Tab. 8.1 a Tab První kategorie tvořená elementárními polovodiči se využívá pro konstrukci Hallových sond. Druhá kategorie je vhodná pro výrobu fotoodporů, fotodetektorů v infračervené oblasti a pro lasery. Tab. 8.1: Elementární polovodiče III. skupina IV. skupina V. skupina VI. skupina VII. skupina B (1,1 ev) C (5,2 ev) Si (1,1 ev) P (1,5 ev) S (2,5 ev) Ge (0,67 ev) As (1,2 ev) Se (1,8 ev) Sn (0,08 ev) Sb (0,12 ev) Te (0,36 ev) I (1,25 ev) Tab. 8.2: Polovodivé sloučeniny Sloučeniny A IV B VI PbS PbSe PbTe A II B VI ZnS ZnSe ZnTe CdS CdSe CdTe HgSe HgTe A III B V BN AlN AlP AlAs AlSb GaP GaAs GaSb InP InAs InSb Třetí velmi významná kategorie má značný podíl iontové vazby (30 50 %) a za jistých podmínek (blízkost mřížkové konstanty a podílu iontové vazby) tvoří tuhé roztoky. Např. polovodič Al 0.3 Ga 0.7 As je tvořen 30 mol% AlAs a 70 mol% GaAs, zatímco polovodič InAs 0.8 P 0.2 je tvořen 80 mol% InAs a 20 mol% InP. Polovodičové vlastnosti tuhých roztoků těchto sloučenin (šířka zakázaného pásu, pohyblivost nosičů náboje) jsou (v mezích výchozích sloučenin) dány složením. Nejvýznamnější užití je u optoelektronických součástek a detektorů záření. Porovnání základních fyzikálních vlastností některých elementárních a sloučeninových polovodičů je uvedeno v Tab V této tabulce zajímá nejvýznamnější postavení křemík, proto je důležité znát jeho další vlastnosti, kterými jsou: koncentrace atomů při 298 K: cm 3 koncentrace vlastních nosičů náboje: 1, cm 3 měrný odpor při vlastní vodivosti: 2, cm atomové číslo: 14 atomová hmotnost: 28,8 bod tání: 4174 ºC měrná tepelná vodivost: 118 Wm 1 K 1 součinitel teplotní roztažnosti: 2, (při 300 K) koncentrace vlastních nosičů náboje: 1, m 3 (při 300 K)

87 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 87 Dopování křemíku příměsemi způsobuje změnu koncentrace nosičů náboje (elektronů a děr), jež má za následek změnu odporu a vodivosti. Dopování donory, např. Li, P, As, Sb, Bi, aj., vede ke zvýšení koncentrace elektronů. Při koncentraci donorů cm 3 je Si = 10 1 cm, při cm 3 je Si ~ 100 cm. Při dotaci akceptory, např. B, Al, Ga, In, aj., vzniká vyšší koncentrace děr. Při koncentraci cm 3 je Si = 10 cm. Tab. 8.3: Srovnání fyzikálních vlastností některých polovodičů ( e je pohyblivost elektronů a d je pohyblivost děr) Polovodič Bod tání [ C] E g [ev] e [m 2 V 1 s 1 ] d [m 2 V 1 s 1 ] Ge 940 0,665 0,38 0,18 Si ,105 0,138 0,048 PbS ,17 0,064 0,08 CdS ,42 0,029 0,002 CdSe ,85 0,05 0,01 AlSb ,52 0,03 0,02 GaSb 725 0,7 0,5 0,07 InSb 525 0,18 7,8 0,075 GaAs ,32 1,0 0,045 InAs 945 0,35 3,3 0,098 SiC ,8 0,1 0, Teplotní závislost vlastního a nevlastního polovodiče Vodivost polovodičů je dána koncentrací nosičů proudu a jejich pohyblivostí. U vlastního (intrinsického) polovodiče dochází vlivem teploty k růstu koncentrace nosičů, jejichž výchozí koncentrace je nízká. Odpor polovodiče v důsledku generace nosičů klesá, protože změna pohyblivosti s teplotou v porovnání se změnou jejich koncentrace není příliš významná. Vlastní polovodič má záporný TCR, čímž se odlišuje od kovů. 1 (8.1) q q n n p p Naopak u nevlastní (extrinsické) vodivosti s rostoucí teplotou dochází vlivem zvyšujícího se rozptylu nosičů náboje na mřížce polovodiče ke zmenšování jejich pohyblivosti µ (pohyblivost u Si klesá úměrně mocnině T 2.42 pro elektrony, T 2,20 pro díry). V porovnání s tímto zmenšováním pohyblivosti je teplotní závislost koncentrace nosičů nevýznamná. V důsledku toho měrný odpor podle rovnice (8.1) roste a odpor polovodiče R se v závislosti na teplotě parabolicky zvyšuje: T T T 2 R R k, (8.2) 0 kde R T je odpor senzoru (polovodiče) při teplotě T. TCR nevlastního polovodiče je tím pádem kladný. Mikroelektronický senzor teploty se konstruuje buď na principu

88 88 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně odporového článku, nebo struktury na principu šíření. Typická teplotní závislost nevlastního křemíkového senzoru teploty je zobrazena na Obr R [k] T [C] Obr. 8.1: Příklad teplotní závislosti nevlastního křemíkového senzoru teploty (teplotní koeficient senzoru je 0,7 %.K 1 ) 8.2 Teplotní závislost PN přechodu Monokrystalické senzory teploty s PN přechody využívají závislosti vlastností PN přechodu diod a tranzistorů na teplotě (změna charakteristik v závislosti na teplotě). S výhodou se využívá měření klidových proudů PN přechodů u tranzistorů (emitor báze, kolektor báze). Využívá se jich i pro měření velmi nízkých teplot, např. dioda typu GaAs se může využít pro měření teplot v rozsahu od 272 C do 177 C a na bázi křemíku, který patří mezi nejpoužívanější materiál pro tyto účely, pro rozsah 50 ºC až 150 ºC. Teplotní závislost PN přechodu v propustném směru je definována na základě voltampérové charakteristiky PN přechodu, který závisí výrazně na teplotě podle Shockleyho rovnice: eu I I 0exp 1 (8.3) KT kde I 0 je saturační proud, K je Boltzmanova konstanta, T je teplota a e jednotkový náboj elektronu. Saturační proud je však taky závislý na teplotě a je úměrný: E 3 / 2 g I T 0 exp KT (8.4) kde γ je konstanta. Proud proto odlišně závisí na teplotě v propustném a závěrném směru. V propustném směru je U >> kt/e a můžeme zanedbat 1 v rovnici (8.3). Pak platí: KT I U P ln. (8.5) e I 0 Jako mikroelektronický senzor se výhodně používá tranzistor v diodovém zapojení, jak je uvedeno na Obr I přes exponenciální závislost I 0 na teplotě je při konstantním kolektorovém proudu I C v rozsahu teplot 50 až +150 C u Si tranzistoru teplotní závislost U BE lineární. Teplotní koeficient U BE je při pokojové teplotě cca 2,25 mv.k 1. Na tomto principu je možné konstruovat integrované senzory teploty (monolitické). Příklad teplotní závislosti U BE křemíkového tranzistoru uvádí Obr. 8.3.

89 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 89 U P Obr. 8.2: Tranzistor v diodovém zapojení 0,8 U BE [V] 0, T [C] Obr. 8.3: Příklad teplotní závislosti U BE křemíkového tranzistoru 8.3 Piezoodporový jev v polovodičích Změna odporu piezorezistoru R vyvolaná tlakem p je v prvním přiblížení vyjádřena vztahem: R R p, (8.6) kde je tlakový součinitel. Piezoodporový jev prakticky využívá při použití rezistorů obdélnikového tvaru. Pro tyto rezistory lze podle vztahu pro tenzometry (4.2) odvodit vztah: R R l K, (8.7) l kde K je součinitel deformační citlivosti (faktor K) a l je změna délky. Faktor K u křemíku (polovodičů) závisí na typu vodivosti (P, N), krystalografické orientaci monokrystalu (100), (111), (110) a dotaci (koncentrace příměsí, tj. měrném odporu). 8.4 Fotonové jevy v polovodičích Přechod elektronu z valenčního do vodivostního pásu po absorpci fotonu elektronem nastane, jestliže energie dopadajícího fotonu bude dostatečná k překonání zakázaného pásu, tj. h E g. V opačném případě fotoelektrický jev nenastává. Pro každý polovodič existuje jistá mezní frekvence, dána podmínkou h = E g, přičemž vlnová délka je nepřímo úměrná frekvenci, tzn., že pro záření o menších frekvencích, resp. delších vlnových délkách tento jev nenastává. Ozáříme-li tedy polovodič elektromagnetickým zářením, jehož fotony mají energii větší případně rovnou energii zakázaného pásu, generují se v polovodiči nové páry nosičů

90 90 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně elektrického náboje (elektronů a děr), což má za následek zvýšení vodivosti polovodiče. Za předpokladu, že počet uvolněných elektronů v objemu V za jednotku času je úměrný světelné energii absorbované v témže objemu, je celkový počet párů elektron díra vytvořený za dobu t dán vztahem: n p klt, (8.8) kde je kvantový výtěžek, tj. počet párů nosičů vytvořených jedním fotonem, k je koeficient absorpce záření a I je intenzita dopadajícího záření. Ze vztahu vyplývá, že s rostoucím časem by koncentrace párů a tudíž i vodivost rostly nade všechny meze. Ve skutečnosti se koncentrace nosičů náboje ustálí pro danou intenzitu osvětlení na jisté konečné hodnotě, což je způsobeno tím, že po určité době dojde k opětovné rekombinaci elektronu a díry. Jak již bylo zmíněno, tvorba párů elektron díra silně závisí na vlnové délce dopadajícího světla. Pro vlnové délky větší než mezní vlnová délka fotoelektrický jev nenastává. Při jejím dosažení fotoproud prudce roste. Při dalším zkracování vlnové délky dojde k opětnému poklesu vodivosti polovodiče z důvodu vyšší absorpce světla v krystalu a vyšší rekombinace. Fotoproud dosahuje maxima, dopadají-li na polovodič fotony s energií rovnou šířce zakázaného pásu. Ze spektrální fotocitlivosti polovodičů (viz Obr. 8.4) je tedy možné určit šířku zakázaného pásu. Příklad na obrázku porovnává spektrum selenu, který je citlivý ve viditelné oblasti světla jako lidské oko. Naproti tomu křemík má mnohem širší spektrum zasahující do infračerveného pásma. c [%] Si OKO Se [nm] Obr. 8.4: Citlivost polovodičů na vlnovou délku záření Vnitřní fotoelektrický jev nastává v polovodiči, pokud nosiče náboje generované dopadajícími fotony nejsou emitovány z povrchu polovodiče. Rozlišujeme následující interakce záření: a) Intrinsický jev v nedopovaném polovodiči záření generuje volné páry elektron díra. U této fotovodivosti musí mít interagující foton minimálně takovou energii, která je rovná energii (šířce) zakázaného pásu E g daného polovodiče. Musí platit: hc h E g. (8.9) Intrinsická dlouhovlnná hrana je dána výrazem:

91 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 91 hc 0. (8.10) E g Příklad hodnot intrinsické dlouhovlnné hrany pro některé polovodiče je uveden v Tab Tab. 8.4: Příklad hodnot intrinsické dlouhovlnné hrany 0 pro některé polovodiče Polovodič CdS GaP GaAs Si Ge PbS 0 [m] 0,52 0,56 0,92 1,1 1,8 2,9 b) Extrinsický jev v dotovaném polovodiči záření generuje taky páry volný elektron vázaná díra nebo volná díra vázaný elektron. Pro vyvolání extrinsické fotovodivosti stačí, aby energie fotonu byla: h. (8.11) E i Podobně extrinsická dlouhovlnná hrana je dána výrazem: hc 0. (8.12) E i kde E i je ionizační energie příměsi polovodiče. Fotovodivost je podmíněna majoritními nosiči náboje, příspěvek minoritních nosičů je nízký. Příklad extrinsické hrany pro různými příměsemi dopovaný křemík je uveden v Tab Tab. 8.5: Příklad extrinsické hrany 0 pro různými příměsi dopovaný křemík Příměs In Ga Al As P B Sb E i [ev] 0,155 0,0728 0,0685 0,0537 0,045 0,0439 0,043 0 [m] c) Interakce fotonů s volnými nosiči náboje d) Lokalizovaná excitace elektronů do vyššího energetického stavu. V senzorice je nejvíce využíván fotovodivostní a fotovoltaický jev, které jsou založeny na interakcích fotonů podle bodů a) a b). Fotovodivostní režim nalezneme ve III. kvadrantu voltampérových charakteristik, fotovoltaický režim ve IV. kvadrantu (viz Obr. 8.5). Fotovodivostní režim změna elektrické vodivosti polovodiče vyvolaná dopadajícími fotony se projevuje pouze v závěrném směru fotodiody. Fotovoltaický režim podmínkou je existence vnitřní potenciálové bariéry s elektrickým polem na separaci generovaných nosičů náboje. Potenciálovou bariéru v polovodiči (v senzoru) vytváříme PN přechodem nebo Schottkyho přechodem. V tomto režimu fotodioda generuje proud, resp. fotosignál v závislosti na intenzitě světelného záření. Základem je fotodioda zobrazená na Obr. 8.6.

92 92 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 8.5: Voltampérová charakteristika fotodiody Fotodiody se konstruují dvěma způsoby: Obr. 8.6: Obecný princip fotodiody světelný tok je rovnoběžný s PN přechodem, světelný tok je kolmý na PN přechod. Pro měření světelného záření lze využít i senzory s více PN přechody, např. fototranzistory. Fototranzistor je oproti diodě mnohem citlivější, na druhou stranu je citlivý i na šum. Proto se pro nízkošumové aplikace používají fotodiody. Fotosignál detekujeme jako změnu proudu protékající senzorem nebo jako úbytek napětí na zatěžovacím odporu zapojeném v sérii se senzorem. 8.5 Radiační jevy v polovodičích Neionizující elektromagnetické záření V senzorice se využívá dvou spekter elektromagnetického záření. Pro vlnovou délku = 0,4 0,75 µm hovoříme o viditelném spektru a pro = 0,75 až desítky µm se jedná o infračervené spektrum. Neionizující záření vytváří dva způsoby interakce, a to tepelné a fotonové jevy: a) Tepelné jevy do této oblasti patří bolometrický jev (kapitola 4.7), který využívají například senzory na bázi Ge a Si pracující při teplotách 4,2 K s citlivostí 2,510 4 VW 1 a 2,810 5 VW 1 při detekci vzdálené infračervené oblasti.

93 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 93 b) Fotonové jevy zpracované v předcházející kapitole Ionizující elektromagnetické záření Nabité částice (elektrony, protony, α částice) a a RTG (elektromagnetické záření velmi krátkých vlnových délek) záření jsou schopné při průletu polovodičem ionizovat atomy polovodiče (přímo nebo nepřímo) a vytvářet volné nosiče náboje. Generované páry elektron díra je tak možné využít v senzorice pro detekci ionizujícího záření a to i pro získání informací o energetickém spektru ionizujícího záření. Energie ionizujícího záření se rozptyluje (absorbuje) v polovodiči ionizací a částečně se spotřebovává na fotonovou emisi (ohřev mřížky). Užitečný signál vytvářejí pouze nosiče náboje vznikající ionizací. Celkový počet generovaných párů elektron díra je lineární funkcí rozptýlené energie E a prakticky nezávisí na druhu záření. Počet generovaných párů je: E N, (8.13) kde znamená střední hodnotu energie potřebné pro generaci jednoho páru elektron díra (pro Si při 300 K je = 3,61 ev pro α záření). Elektrony a díry generované ionizačním procesem se musí v detektoru rychle a s nejmenšími ztrátami transportovat k elektrodám. Separace a transport párů elektron díra je zabezpečena vnitřním elektrickým polem v objemu detektoru s využitím PN nebo PIN (intrinsický polovodič jako střední vrstva) struktury polarizované v závěrném směru. Obecné schéma struktury detektoru ukazuje Obr N I + P +,x,e - Obr. 8.7: Obecné schéma struktury detektoru ionizujícího záření Pro dokonalý přenos generovaných nosičů náboje musí být polovodičový materiál velmi čistý s extrémně nízkou koncentrací záchytných center. Pro snížení svodových proudů pracují obvykle snímače při nízkých teplotách (77 K). Nejvíce se využívá Ge a Si. Rozsah energií se pohybuje v řádu 100 ev až GeV! Z důvodů velkých energií ionizujícího záření se musí přizpůsobit tloušťka polovodiče (snímače); dolet závisí na energii podle empirického vztahu: D B A E, (8.14) kde A je konstanta závislá na materiálu a druhu záření, B je ~ 1,37 pro protony a α částice.

94 94 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 8.6 Magnetoelektrické jevy v polovodičích Rozlišujeme několik magnetoelektrických jevů v polovodičích: magnetoodporový jev, ovlivňování pohyblivosti nosičů vlivem magnetického pole, ohyb dráhy nosičů Lorentzovými silami, magnetokoncentrace a modulace injekce nosičů. a) Magnetoodporový jev při působení magnetického pole kolmo na protékající proud roste odpor s druhou mocninou magnetické indukce podle vztahu: R R 2 1 n B, (8.15) 0 0 kde n je pohyblivost elektronů. Jiný typ využívá Lorentzových sil. Konstrukce odporu je postavena na tenké destičce z 20 % železa a 80 % niklu o délce mnohem kratší než je šířka. V tomto případě se nejedná o polovodič a tento senzor spadá do kapitoly 4. b) Magnetodioda pracuje na principu ovládání efektivní doby života nadbytečných nosičů proudu vnějším magnetickým polem. Obvykle jde o dlouhou tenkou PIN strukturu (Obr. 8.8). Magnetické pole B kolmé na pole elektrické E způsobuje shlukování nosičů náboje, vstřikovaných z n + a p + oblastí do oblasti intrinsického polovodiče, které probíhá ve spodní nebo horní oblasti v závislosti na směru magnetického pole. Obr. 8.8: Magnetodioda založená na PIN struktuře [31] c) Proud procházející kolektorem bipolárního magnetotranzistoru je senzitivní na magnetické pole. Funkce magnetotranzistoru je dána třemi efekty, kterými je ohyb dráhy nosičů Lorentzovými silami (tento efekt je dominantní), magnetokoncentrace a modulace injekce nosičů. Tranzistor obsahuje dva kolektory, přičemž vlivem magnetického pole je ohýbána dráha nosičů Lorentzovými silami stejně jako v Hallově jevu a každý kolektor přijímá rozdílné množství proudu. c n p Bic i k (8.16) d) Hallův jev nelze ho považovat za generátorový jev, přestože je napětí generováno průchodem proudu destičkou. Halův jev je založen na Lorentzových silách. Hallovy senzory se vytvářejí z destiček nebo vrstev polovodičů InSb, InAs, GaAs a Si, podrobně popsáno v kapitole 10.1.

95 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 95 9 Optoelektronické senzory 9.1 Optoelektronické senzory Optoelektronické senzory v mikroelektronické planární technologii existují už velmi dlouho v podobě optronů (Obr. 9.1), které tvořily galvanické oddělení mezi obvody. Optron obsahoval generátor světla (LED) a detektor tvořený fotodiodou nebo fototranzistorem pracujícím na bázi fotovodivostního jevu. Mezi nimi se nacházelo optické prostředí. Optron nelze využít jako senzor, ale pokud se toto prostředí mění, mění se tedy i podmínky pro přenos signálu, které lze detekovat a to je základ optických (optoelektronických) senzorů. Lze tedy velmi jednoduše přejít na optický senzor. Tato sestava je vždy základem pro každý optický senzor. Obr. 9.1: Optron vysílač a přijímač v jednom pouzdře Jako generátor světla se využívá převážně IR dioda nebo polovodičový laser. Fototranzistor většinou na bázi GaAs/AlGaAs s filtrem slouží jako snímač. Planární technologie umožňuje vyrobit difrakční mřížky a sklo s dobrými vlastnostmi pro snadné vytvoření optických cest. Nejjednodušším optickým senzorem je senzor kouře. Je to fyzikální senzor, kde optické prostředí je vzduch, ve kterém se mohou objevit částice vznikající při hoření a ty zhorší viditelnost mezi zdrojem světla a detektorem. Následkem toho dojde k jeho útlumu a na základě velikosti útlumu je vyhodnocen požár a spuštěn poplach. Polohové senzory využívají změnu odrazu nebo lomu světla. Odrazu od povrchu se využívá u optických myší k počítačům. Dnes jsou velmi užívané polohové optické senzory, které obsahují matici detektorů a snímají odražený paprsek laseru, dále snímače čárových kódů a podobně. Optické senzory a planárně realizované detektory se začínají užívat také při detekci chemických látek, viz kapitola 10. Kromě běžného principu detekce na základě odrazu či ohybu světla je zřejmé, že planární optické senzory budou pracovat jako integrované složité systémy pro spektrální analýzu světla. Příklad planárního analyzátoru spektrální koherence ukazuje Obr Nad detektorem je umístěno zrcadlo ovládané speciálně navrženými obvody, které umožňují vzdálit ho od detektoru až na vzdálenost 5 μm.

96 96 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Rámeček se zrcátkem Zrcátko Pružný závěs Fotodetektor Držák detektoru Optický vstup Obr. 9.2: Mikrosenzor pro analýzu spektrální koherence 9.2 Senzory s CCD prvky Daleko více rozšířené a známé jsou CCD (Charge-Coupled Device) čipy známé z digitálních fotoaparátů a kamer. CCD prvky byly objeveny již v roce 1969 v Bellových laboratořích [34], ale jejich rozvoj nastal až s CMOS technologií podstatně později. Jedná se o matici prvků citlivých na světlo, které snímají ucelený obraz. Velikost matice tedy udává rozlišení pro snímaný obraz, z tohoto důvodu musí být prvek svou strukturou co nejjednodušší. Protože tranzistor má velkou velikost, užívá se dioda a kapacitor. CCD je na světlo citlivý prvek vytvořený technologií MOS. CCD buňka reaguje na absorpci fotonů, které jsou na základě vnitřního fotoelektrického jevu převedeny na náboj. V buňce je excitováno určité množství elektronů odpovídající menším nebo větším množstvím fotonů, přicházejících z méně nebo více osvětleného snímaného obrazu. Takto se obraz přenáší ve formě náboje v matici buněk. Základním prvkem je kapacitor realizovaný technologií MOS, v němž se tento náboj hromadí. Elektrody kapacitoru jsou transparentní a jsou tvořeny dobře vodivým polykrystalickým Si na straně příchodu fotonů a vrstvou Si typu P nebo N na straně odvrácené, viz Obr. 9.3a. Dielektrikum je vrstva SiO 2, která tvoří potenciálovou jámu zachycující elektrony. To odpovídá asi 40 tisícům elektronů na ploše 9 x 9 µm. Pod dielektrikem je oblast, ve které vygenerované a odvedené páry nosičů náboje vytváří ochuzenou vrstvu vlivem separace náboje. Jiný princip převodu fotonů na náboj ukazuje Obr. 9.3b. Spočívá opět ve vytvoření ochuzené vrstvy v prostoru přechodu PN (MOS dioda). Pro separaci náboje je nutná polarizace diody v závěrném směru. Přenos náboje z buňky se provádí registrem. Protože je výhodnější provádět tento transport spíše v objemu polovodiče než po povrchu, nazývají se tyto registry CID (Charge Injection Device).

97 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 97 SiO 2 Φ Polykrystalický transparentní Si Φ hν + - Ochuzená vrstva hν + - N hν Ochuzená vrstva P a) b) Obr. 9.3: CCD senzor: a) MOS kapacitor, b) PN přechod P Velikost elektrického náboje vyvolaného dopadem světla je převedena na napětí převodníkem A/D a vyjádřena číselnou hodnotou ve dvojkové soustavě. V dnešní době se užívají vylepšené prvky zesilující intenzitu světla, tzv. ICCD (Intensified CCD) nebo EMCCD (Electron-Multiplying CCD). Pomocí CCD prvků je převáděn snímaný obraz na elektrický signál. Obraz je tvořen z bodů pixelů, které odpovídají jednotlivým citlivým CCD prvkům. V současné době jeden čip o velikosti 1/3 2 palce obsahuje 3 20 miliónů CCD senzorů. V CCD čipu se náboj v buňkách měří či skenuje po řadách. Tímto procesem je měřena jen intenzita světla a může být vytvořen pouze černobílý obraz. Bude-li ke každé buňce vytvořen filtr v jedné ze tří základních barev RGB, pak každá trojice je ve vzájemném poměru schopna vyjádřit libovolnou barvu spektra počínaje bílou. Z praktických důvodů se buňky organizují do čtveřic, přičemž zelený filtr je obsažen dvakrát (viz Obr. 9.4). Uvnitř buněk opět vzniká elektrický náboj, ale jeho velikost už nezávisí jenom na intenzitě světla, nýbrž na jeho barevném složení. Touto metodou procesor získá první informace o barevné teplotě paprsků, dopadajících na jednotlivé buňky CCD [36]. Obr. 9.4: Standardní CCD prvek Obr. 9.5 ukazuje, jak procesor vyhodnocuje informaci z 9 buněk po čtveřicích. Po vyhodnocení 1 čtveřice proces pokračuje na druhé, přičemž 2 buňky jsou společné s první čtveřicí. Takto postupně vyhodnotí čtyři úplné čtveřice, tj. 9 CCD buněk. Metodou vyhodnocování čtveřic tedy obdržíme hodnoty pro čtyři barevné pixely. Informace z každé buňky se posuzuje několikrát vzhledem k jejím sousedům. Výstupní hodnoty vytvářejí mozaiku pixelů, jak ukazuje Obr Problematické jsou krajní buňky, proto obrázek zpravidla nemá tolik pixelů, jako je buněk na CCD čipu. Pro usnadnění čtení náboje jsou buňky proloženy pomocnými registry, tzv. prokládaný (interlaced) sken (Obr. 9.7a). Náboj přechází z buněk nejdříve do pomocných registrů, teprve pak z nich postupuje do hlavního registru, přes zesilovač do A/D převodníku a nakonec do procesoru. Vylepšením je snímkový sken (Obr. 9.7b) u CCD prvku typu FTD (Frame Transfer Device), kde přecházejí všechny náboje najednou do přenosového registru náboje CSR

98 načítání v pomocném registru načítání v pomocném registru 98 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně (Charge Shift Register). Z tohoto CSR pak náboje odcházejí do zesilovače, A/D převodníku a procesoru. Po přesunu do CSR je CCD prvek už opět přichystaný k další expozici. FTD CCD prvky jsou dražší než CCD s prokládaným čtením, ale mají lepší zobrazovací schopnosti. Příklad Kodak čipu s rozměry 18,3x18,4 mm 2 s 2048x2048 pixelů (4 Mpx) ukazuje Obr Obr. 9.5: Metoda vyhodnocování čtveřic Obr. 9.6: Princip běžného CCD prvku vytvářející mozaiku zde probíhá načítání hlavní registr zde probíhá načítání a) b) Obr. 9.7: Čtení náboje z matic a) prokládaný sken, b) snímkový sken

99 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 99 Obr. 9.8: CCD čip KAF 4202 Princip nového SuperCCD (uvedená firmou Fuji, 1999) je založen na poznatku, že lidské oko citlivěji vnímá vertikály a horizontály než diagonály. Proto je struktura SuperCCD oproti tradičnímu řešení posunuta o 45 jak ukazuje Obr Obr. 9.9: Super CCD mozaika Podle tvrzení Fuji nové uspořádání umožnilo stisknout prvky více k sobě, takže ve výsledném efektu to vypadá, jako by rozlišení bylo 1,6 až 2,3 krát větší. SuperCCD má citlivé prvky opatřené mikročočkami, jak je ukázáno na Obr Tím se podařilo zvýšit jejich citlivost, což umožňuje rychlejší načítání informace, takže lze uvažovat o videozáznamech o rychlosti 30 snímků za vteřinu ve velikém rozlišení. SuperCCD HR znamenal vysoké rozlišení a používá se u kompaktních fotoaparátů, SuperCCD SR znamená super dynamický rozsah a používá se u zrcadlovek. V současné době již existuje SuperCCD EXR (2008), který spojuje výhody obou do jednoho čipu a umožňuje fotoaparátu přizpůsobit se scéně. vrstva mikročoček filtrová mozaika vrstva křemíkových světlocitlivých fotodiod Obr. 9.10: SuperCCD rozložený do vrstev [35] Revoluční řešení ve vývoji CCD senzorů přináší americká firma Foveon svojí novinkou senzoru Foveon X3 [36]. Firma Foveon je proslulá svými profesionálními tříčipovými přístroji. V systému Foveon X3 nejsou světlocitlivé buňky rozptýleny po ploše senzoru pod mozaikovým filtrem RGB jako u tradičního senzoru, ale jsou ve třech

100 100 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně vrstvách nad sebou, přičemž svrchní vrstva zachycuje modrou složku, střední zelenou složku a spodní červenou složku (Obr. 9.11). Obr. 9.11: CCD senzor Foveon X3 [35] To, že světlo o různé vlnové délce proniká do různé hloubky křemíkových vrstev, je obecně známý fakt. Ultrafialové záření je zachycováno už na povrchu, kdežto infračervené zasahuje do hloubky i u tradičního senzoru a musí být filtrováno, jinak působí nepříjemné efekty, jako je přezařování (blooming), apod. Proto je u X3 senzoru modrá vrstva nahoře a červená dole. Foveon, jako výrobce tříčipovek, vždy využíval složitou interpolaci barevných kanálů a ignoroval sofistikované vyhodnocovací algoritmy, které se nespokojují s primitivní interpolací. Tyto algoritmy vyhodnocují vzájemné poměry buněk krytých různými filtry užívaných u běžných CCD prvků. Všechny tři barevné kanály jsou kompletní, bez interpolace (viz Obr. 9.12). To by mělo vést pochopitelně k ideálnímu obrazu, srovnatelnému s tříčipovým přístrojem, protože každá křemíková vrstva je plnohodnotný CCD. Obr. 9.12: Princip snímání CCD prvku Foveon X3 [35] Foveon vyráběl dva typy senzorů, první s 9-mikronovými buňkami a počtem 2304x1536 buněk = 3,5 Mpx, a druhý s 5-mikronovými buňkami a počtem 1344x1024 = 1,3 Mpx. V roce 2010 již bylo dosaženo rozlišení 14,1 Mpx.

101 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy Speciální druhy senzorů 10.1 Hallovy senzory Hallův senzor využívá Hallova jevu, kdy příčné magnetické pole s indukcí B působí na destičku polovodiče o tloušťce d, kterou prochází elektrický proud I p, tak, že se na protějších stranách hranolu generuje Hallovo napětí, viz Obr Pro Hallovo napětí U H platí: Obr. 10.1: Princip Hallova senzoru I p B U H RH, (10.1) d přičemž Hallova konstanta R H je rovna: R H 3, (10.2) 8 n q q kde n q je hustota nosičů náboje a q je elementární náboj. Hallův senzor lze konstrukčně využít dvěma způsoby. Při prvním způsobu je Hallův senzor pevně připojen v měřicím systému a dochází ke změně magnetické indukce B. Příkladem tohoto konstrukčního řešení je wattmetr, kdy měřený proud zátěže protéká pomocnou cívkou, jejíž magnetické pole ovlivňuje Hallův senzor, kterým protéká proud úměrný napětí zátěže. Druhou konstrukční variantou je pohyb Hallova senzoru v magnetickém poli permanentního magnetu nebo elektromagnetu. Konstrukce se využívají vedle snímání elektrických veličin hlavně u snímačů polohy nebo veličin, které lze na snímání polohy převést, např. lineárních nebo úhlových výchylek, vibrací, zrychlení, otáček aj Hallův jev v senzorech polohy Pohybujeme-li mechanicky Hallovým článkem v nehomogenním magnetickém poli, Hallovo napětí je závislé na změně polohy tohoto článku. Pro konstantní proud I p = konst. pak z rovnice (10.1) vyplývá: kde U k f B), (10.3) H 1 1 (

102 pak 102 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně RHI p k1. (10.4) d Pro pohyb ve směru osy x platí: B x k f ), (10.5) ( 2 2 x U k f x). (10.6) H 3 3 ( U ideálního senzoru polohy by měly být funkce f 1 (B), f 2 (x) a f 3 (x) lineární a gradient magnetického pole co největší a konstantní. Nehomogenita pole je obvykle nelineární vzhledem ke vzdálenosti, proto je funkce f 2 nelineární a tím se stává celá závislost nelineární. Obr. 10.2a uvádí jednoduchou konstrukci senzoru polohy s Hallovým článkem. Vlastní polovodičová destička se pohybuje ve vzduchové mezeře stálého magnetu ve směru osy x. Pólové nástavce jsou z magneticky měkkého materiálu. Polovodičové materiály pro snímače jsou: Ge, Si, InAs, InSb, HgTe, HgSe a další. Z UH [mv] =1,4 mm 2,0 Y 90 2,4 3,2 S J X ,0 a) b) x [mm] Obr. 10.2: Hallův senzor polohy: a) princip, b) převodní charakteristika Obr. 10.2b uvádí příklad sítě převodních charakteristik snímaného Hallova napětí na poloze x pro různé hodnoty vzduchových mezer u snímače, který zobrazuje Obr. 10.2a. Je zřejmé, že jen úzká středová oblast charakteristik s lineárním průběhem může být využita pro měření polohy, proto je Hallův snímač vhodný pro měření malých změn polohy v rozsahu 0 až ±1 mm. V praktických konstrukcích je výhodnější použít permanentní magnety než elektromagnety. Držák senzoru nesmí být feromagnetický. Vlastnosti snímače se mění se změnou parametrů magnetického obvodu a polovodičové destičky. Permanentní magnet mění magnetickou indukci v závislosti na teplotě a na čase. Vliv teploty se uplatňuje také změnou měrného odporu a Hallova součinitele. Všechny tyto vlivy je nutno při přesných měřeních kompenzovat. 0

103 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 103 Reálnou vnitřní strukturu a zapojení Hallova senzoru MH1SS1, tak jak byl vyráběn Teslou Rožnov pod Radhoštěm v 80. letech, ukazuje Obr. 10.3a. Senzor se užíval převážně u tlačítek klávesnic nahrazující mechanický spínač, kde docházelo časem k únavě mechanického kontaktu s následným zničením. a) 3 +5V D 1 R R 6 5k2 T 5 T 6 S D 2 R 3 1k2 R T J HG T 1 T 2 R 1 1k8 T 3 R 2 11k6 R 7 19k5 R 6 5k2 T 7 T R Z2 Výstupy R Z2 R HG ~2k83 4 b) Obr. 10.3: Hallův senzor polohy MH1SS1, a) reálná vnitřní struktura, b) elektrické zapojení Hallův jev v proudových snímačích Tradiční metody měření proudů pomocí bočníků nebo proudových transformátorů se vyznačují řadou nevýhod: ztráta výkonu v měřeném obvodu, ovlivňování měřeného obvodu,

104 104 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně galvanické spojení vyžaduje zvláštní izolační zesilovač, omezená šířka frekvenčního pásma. Současný trend vývoje moderní výkonové elektroniky vyžaduje trvale bezpečnou funkci, snadnou manipulaci, kompaktní velikost a výhodný poměr ceny k výkonu. Principu se využívá u klešťových ampérmetrů umožňujících měření silových vedení bez nutnosti jeho rozpojení a vložení bočníku. Hallův jev navíc umožňuje změřit nejen střídavé proudy, ale i stejnosměrné. Velmi populární jsou sondy k osciloskopům umožňující sledovat signály ve vedení, aniž by byly rozpojeny. Firma Honeywell propracovala dva principy analogového měření proudu: princip otevřené smyčky a princip uzavřené smyčky, která kompenzuje magnetické pole. Oba principy jsou ideálně vhodné pro galvanicky oddělené měření všech průběhů proudu včetně proudu stejnosměrného. Základní funkční princip detekce proudu je založen na měření magnetického pole, které se vytváří kolem vodiče protékaného proudem. Je-li vodič veden otvorem v magnetickém obvodu proudového snímače, magnetický tok je soustředěn do vzduchové mezery, v níž je umístěn Hallův senzor. Výstupní signál U H Hallova senzoru tedy závisí na velikosti proudu protékajícího vodičem. Princip otevřené smyčky Princip otevřené smyčky je schematicky znázorněn na Obr Pro tento proudový snímač je důležité, aby Hallův senzor poskytoval lineární závislost mezi magnetickým tokem a Hallovým napětím. Lineární Hallův generátor LOHET (Linear Output Hall Effect Transducer / převodník s Hallovou sondou a lineárním výstupem) firmy Honeywell zcela splňuje tento požadavek. LOHET je sestaven z integrovaného Hallova generátoru a tří odporů na keramickém podkladu. Citlivost a teplotní kompenzace se seřizuje úpravou dvou z těchto odporů laserem. Ve snímači je integrován i regulátor napětí a teplotně kompenzovaný měřicí zesilovač. Výstupní napětí U a proudového snímače je úměrné primárnímu proudu I p. Princip uzavřené smyčky Obr. 10.4: Princip otevřené smyčky Princip uzavřené smyčky je schematicky znázorněn na Obr Magnetický tok vytvářený primárním proudem je zcela vyrovnáván opačným magnetickým tokem vinutí kolem magnetického obvodu. Každá odchylka od nulového vyvážení vede k Hallovu napětí Hallova generátoru. Elektronický obvod ihned dodá sekundární proud I s potřebný ke

105 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 105 kompenzaci magnetického pole. Tento proud dělený počtem závitů kolem magnetického obvodu představuje skutečný obraz primárního proudu. Při kmitočtech nad 3 až 5 khz působení elektroniky postupně slábne. Na vyšších kmitočtech nebo při rychlých změnách proudu se proud přenáší na principu transformátoru jako v konvenčním proudovém transformátoru. Superpozice těchto dvou účinků činí z tohoto snímače zařízení měřicí proud velmi přesně a velmi dynamicky. Sekundární vinutí generuje proud nezávislý na zatížení. Vložení vnějšího výkonového odporu umožňuje získat výstupní napětí širokého rozsahu. Firma Honeywell vyrábí tyto sondy převážně na principu uzavřené smyčky v řadě označené CSN a CSL. Obr. 10.5: Princip uzavřené smyčky

106 106 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 11 Chemické senzory Přítomnost chemických prvků charakterizuje příznivost daného životního prostředí jak pro člověka samotného, tak pro nejrůznější procesy na naší planetě (od ekologických až po průmyslové). Zvlášť důležité je sledovat prvky, které životnímu prostředí škodí, a prvky, jejichž přítomnost je naopak žádoucí. Chemické senzory se využívají pro měření koncentrace výskytu látek doprovázejících některé výrobní, provozní, skladovací, měřicí a další procesy. Chemické senzory jsou speciální druhy senzorů. K fyzikálnímu převodníku, který může být odporový, kapacitní, piezoelektrický, apod. je nutná rekogniční část umožňující převod chemické veličiny na fyzikální (Obr. 11.1). Rekogniční část bývá obvykle citlivá vrstva nebo membrána více či méně selektivní. Obvykle bývá selektivita chemických senzorů až na výjimky velmi špatná. Podnět, prostředí, stav Rekogniční vrstva Fyzikální převodník (snímač) Obr. 11.1: Blokové uspořádání chemického senzoru Oblast chemických senzorů je velice rozsáhlá [9], [26] a nejvýhodnější je rozdělit je podle způsobu převodu měřené (chemické) veličiny na fyzikální, jak ukazuje Obr Chemické senzory elektrochemické teplotní fluorescenční gravimetrické optické Obr. 11.2: Rozdělení chemických senzorů podle převodu měřené veličiny 11.1 Elektrochemické senzory s přímým převodem Základem každého elektrochemického senzoru je elektrochemický převodník, který lze zařadit mezi fyzikální převodníky. To znamená, že řada elektrochemických senzorů nepotřebuje rekogniční část jde o výjimku mezi chemickými senzory, která přináší výhody v jednoduchosti převodní části. Převodník se skládá z elektrod, mezi kterými je elektrolyt mluvíme o cele, elektrochemickém článku. Elektrolyt může být v pevné nebo kapalné fázi, a ve styku s elektrodou převádí neelektrickou veličinu na elektrickou. Signál

107 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 107 z elektrod se vyhodnocuje metodou měření, která určuje počet potřebných elektrod, jejich druh, citlivost a parametry, které jsou měřeny. Principiální zobrazení elektrochemického převodníku ukazuje Obr Každý převodník obsahuje 2 až 4 elektrody vytvořené na substrátu. Je-li substrát z vodivého materiálu, je nutné nejprve na jeho povrchu vytvořit nevodivou vrstvu (např. na Si substrátu je po termické oxidaci vytvořena vrstva SiO 2 ). Elektrody jsou opatřeny vývody, které slouží k propojení s elektronickým detektorem. Mohou být zhotoveny z různých kovů s přihlédnutím k co nejmenším termoelektrickým napětím, které mohou na spojení kovů vzniknout. Z tohoto důvodu je nejvhodnější zlato, které lze také snadno kontaktovat Au drátkem, čímž vzniká dlouhodobě nespolehlivější spojení bez termických šumů. Bude-li tento snímač pracovat v kapalných roztocích, je nutné vytvořit krycí vrstvu, která ponechá pouze elektrody ve styku s roztokem. Nedokážou-li elektrody přímo měřit některou elektrickou veličinu, jež závisí na měřené veličině, je na elektrody deponován rekogniční převodník, což může být iontový měnič membrána např. z polymeru nebo polovodivé oxidy kovů citlivé na plyny, apod. kapka roztoku převodník z pevné fáze krycí vrstva přívody Pt nebo Au elektrody izolační vrstva substrát Obr. 11.3: Principiální struktura chemického senzoru kapalných analytů Rozeznáváme elektrody tří druhů: I. druhu vodíková elektroda, dochází k výměně iontů. Tato elektroda byla vybrána jako vztažná s nulovým potenciálem, takže všechny potenciály chemických reakcí jsou vztaženy k této elektrodě. II. druhu iontová elektroda, u nichž opět dochází k výměně iontů. Používají se jako referenční a iontově selektivní elektrody. III. druhu polarizovatelné elektrody, dochází k výměně elektronů, elektroda se nerozpouští. Tyto elektrody jsou obvykle tvořeny ušlechtilými drahými kovy jako Au, Pt, ale může to být i Hg a C. Elektrody využívané u elektrochemických senzorů jsou obvykle II. a/nebo III. druhu. Na elektrodě III. druhu vznikají oxidací nebo redukcí kladné či záporné ionty podle vztahu: Ox e Re. (11.1) Tento vztah platí pro všechny chemické senzory s pracovní elektrodou III. druhu a je základním vyjádřením převodu chemického děje na elektrický.

108 108 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Impedimetrické senzory Využívá-li se k měření střídavého signálu, lze snímač charakterizovat jako impedimetrický a stanovit až 4 parametry: reálnou a imaginární část, modul a fázi. Pomocí těchto parametrů lze získat charakteristiky, které umožní vyhodnotit jinými metodami nedetekovatelné změny měřené veličiny Konduktometrické (odporové) chemosenzory Tyto typy senzorů se též nazývají vodivostní a cílem je měření měrné vodivosti mezi elektrodami, což je veličina charakterizující všechny elektrolyty. Je zřejmé, že jde pouze o měření reálné části impedanční charakteristiky a lze tedy použít, pokud to fyzikální princip převodu dovoluje, stejnosměrný signál k získání odezvy. Toto je možné pouze u pevných látek a elektrolytů. U tekutých elektrolytů je nutné využít střídavého signálu, čímž se zaručí konstantní měřená odezva. Určení měrné vodivosti vychází z rozměru chemického článku, tj. plochy S a vzdálenosti elektrod d. Potom je vodivost vypočítána ze vztahu: d G G K CELL, (11.2) S kde G je změřená vodivost mezi elektrodami. Poměr mezi vzdáleností a plochou elektrod se nazývá článková konstanta K CELL s běžně udávanou jednotkou [1/cm]. Je zřejmé, že vodivost musí být funkcí měřené veličiny. U roztoků se takto přímo měří měrná vodivost v[s/cm]. U většiny roztoků, u nichž známe složení, lze následně vypočítat koncentraci dané látky v roztoku, protože je znám vztah: C, (11.3) kde λ je iontová vodivost, kterou lze získat z tabulek pro kladné a záporné ionty roztoku a korigovat ke změřené měrné vodivosti. U měření měrné vodivosti kapalných roztoků je převodníkem přímo reakce (oxidace či redukce), jež probíhá na elektrodách. Standardní elektrody běžně užívané ukazuje Obr Obr. 11.4: Standardní elektrody pro měření vodivosti kapalných roztoků: a) průtokové; b) skleněné s Pt prstýnky; c) Pt deskové

109 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 109 Převedení elektrod do planární formy může vypadat tak, jak ukazuje Obr Elektrody mohou mít různý tvar, ale běžně se konstruují hřebínkové neboli interdigitální mikroelektrody (z angl. interdigitated electrodes IDEs), protože při zachování malé vzdálenosti elektrod a plochy čipu je plocha elektrod velká a tím i vysoká citlivost snímače. Miniaturizace na druhou stranu přináší problémy, které u standardních elektrod nebyly. Jedním takovým problémem je rozložení hustoty proudů, která není homogenní jako např. u deskových elektrod, ale probíhá sféricky či hemisféricky, přičemž se snižuje se vzdáleností od substrátu. Pak mluvíme o poměrných proudech, kde až 90 % proudu může procházet ve velkých vzdálenostech od elektrody, což závisí na měrné vodivosti roztoku a poměru vzdálenosti elektrod a šířky hřebínku. Je zřejmé, že průměrná vzdálenost elektrod není v planární struktuře konstantní. Proto je nutný korekční faktor článkové konstanty vyjádřený vztahem (11.4), který bude záviset na měrné vodivosti reálné (skutečné) a změřené bez korekce. Tímto faktorem se poté bude změřená vodivost násobit: K K real CELL real meas. (11.4) Obr. 11.5: Průběh poměrných proudů mezi elektrodami v planární struktuře Praktický příklad těchto elektrod s hřebínkovou strukturou představují tištěné elektrody na Obr Obr. 11.6: TLV tištěné platinové eletrody. Elektrody na spodním substrátu jsou pokryty platinovou černí Impedanční senzory Tento druh senzorů vyhodnocuje více než jeden parametr výstupní charakteristiky. U chemických senzorů je velmi dobře známa půlkruhová charakteristika impedance

110 110 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně v komplexní rovině, která je společná všem impedančním chemickým senzorům. Obr představuje charakteristiku jedné elektrody v kapalném roztoku a obsahuje navíc lineární část se sklonem 45 prezentovanou difúzí iontů k elektrodě. Elektrický model této impedance ukazuje názorně Obr a obsahuje kapacitu dvojvrstvy C DL, která vzniká přímo u povrchu elektrody, a dále odpor přenosu náboje iont-elektroda R CT a reálný odpor roztoku R ROZTOK mezi elektrodami. Toto jsou lineární parametry. Warburgova impedance Z W představuje nelineární chování a závisí na elektrochemickém ději, ke kterému na převodníku dochází. Od ní se převážně volí metoda měření a vyhodnocení měřené veličiny. Celková impedance roztoku je dána vztahem: 1 ROZTOK CT jcdl 2 1/ 2 j R R 1/ j Z. (11.5) Obr. 11.7: Impedanční charakteristika jedné elektrody v roztoku Referenční Elektroda C DL Kovl R ROZTOK R CT W Obr. 11.8: Model impedančního rozhraní elektrody Na Obr jsou zobrazeny frekvenční charakteristiky hřebínkových elektrod v širokém rozsahu měrných vodivostí. Z uvedených charakteristik vyplývá, že roztoky s různou měrnou vodivostí posouvají impedanční charakteristiku do odlišné kmitočtové oblasti. Proto je třeba předem odhadnout, o jakou měrnou vodivost se přibližně jedná a podle toho upravit vstupní kmitočet, nebo proměřit celé kmitočtové pásmo a hledat lineární pracovní okno tak, jak je uvedeno na Obr

111 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 111 Obr. 11.9: Frekvenční charakteristiky hřebínkových elektrod v širokém rozsahu měrných vodivostí Polarografické senzory Princip polarografie vychází z elektrochemické metody analýzy roztoků založené na zkoumání polarizačních napětí speciální elektrody III. druhu. Vedle této pracovní elektrody systém obsahuje pomocnou elektrodu (III. druhu) a referenční elektrodu (II. druhu). Pro řízení metody sloužil polarograf obsahující potenciostat. Zapojení systému je na Obr Metoda byla objevena v roce 1925 J. Heyrovským, který v roce 1959 získal za tento objev Nobelovu cenu. Při vlastním měření se sleduje závislost proudu I na lineárně rostoucím potenciálu E vkládaném na elektrody (A-V, tzv. polarografická křivka). Proud z počátku blízký nule začne narůstat v přítomnosti látek, tzv. depolarizátorů, které po dosažení svého rozkladného (polarizačního) napětí (půlvlnný potenciál E 1/2 charakteristický pro danou látku) reagují na povrchu pracovní elektrody. Po vyčerpání elektroaktivní látky z prostoru elektrody je celkový procházející (limitní) proud I L odpovídající koncentraci látky v roztoku řízen přísunem depolarizátoru k elektrodě z roztoku a je konstantní. Jako pracovní elektroda se využívá kapající nebo visící rtuťová kapková elektroda. Kapka rtuti je polarografem vždy odkápnuta a vytvořena nová. Tím dochází k pravidelnému obnovování povrchu elektrody a tím k vysoké citlivosti a přesnosti. Tyto senzory se využívají pro kvalitativní i kvantitativní analýzu, např. pro stanovení těžkých kovů ve vodě, apod. Obr : Propojení elektrod s potenciostatem, WE pracovní elektroda, SE společná elektroda, RE referenční elektroda

112 112 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr ukazuje průběh polarizační křivky 1 za přítomnosti látky způsobující polarizaci elektrody, zatímco křivka 2 ukazuje jen průběh v základním elektrolytu bez této látky. Polarizační napětí se mění lineárně v čase. V případě, že elektrolyt obsahuje více iontů, bude polarizační křivka obsahovat více skoků ukazujících na půlvlnné potenciály (Obr a). Velikost každého skoku ukazuje na koncentraci daného iontu v roztoku. Vpravo je křivka získaná z diferenční pulsní polarografie. Tato metoda ukazuje přímo koncentraci výškou píku a určitý iont z polohy píku, tedy půlvlnného potenciálu. Tato metoda se používá u automatických analyzátorů, která takto snadno vyhodnotí odezvu. I [A] 2 1 I L 0 E 1/2 1 E [V] Obr : Ideální polarografická křivka (na reálné se navíc projevuje šum způsobený odkapáváním rtuťové kapky) a) b) Obr : a) polagrafická křivka v případě více iontů v analyzovaném roztoku při lineární polarizaci, b) píky ukazující množství iontů určené diferenční pulsní polarografií Voltametrické senzory Princip je stejně jako v polarografii založen na zjišťování potenciálu fázového rozhraní s tím rozdílem, že ve voltametrii se využívá pevné pracovní elektrody. Nejdůležitější pro potenciometrii jsou potenciály mezi kovem a roztokem. Stejně jako v polarografii je sledována závislost proudu I na lineárně rostoucím potenciálu E vkládaném na elektrody a mechanismus odezvy v přítomnosti depolarizátoru probíhá rovněž podobně jako v klasické polarografii. Měření je vždy prováděno proti porovnávací standardní (referenční)

113 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 113 elektrodě, která je v případě elektrochemických senzorů umístěna přímo na senzoru v blízkosti polarizovatelné (pracovní) elektrody III. druhu. Celý proces je ovládán potenciostatem. Dnes je potenciostat běžně řízen z počítače. Typická sestava zařízení pro voltametrii s tříelektrodovým TLV senzorem je znázorněna na Obr a. Protože je hodnota E 1/2 pro danou látku charakteristická, lze stejnosměrnou voltametrií podobně jako v polarografii provést analýzu více látek současně, jak je znázorněno na Obr b. Zásobník inertního plynu Uzávěr Měřicí přístroj (potenciostat) I [A] Pb e Pb Cd e Cd I L (Cd) 2 I L (Cd) Reakční nádobka Počítač PC I L (Pb) 2 I L (Pb) Konektor senzoru kapacitní proud TLV senzor Elektrolyt E(Pb) 1/2 E(Cd) 1/2 E [V] a) b) Obr : a) typická sestava zařízení pro voltametrii s tříelektrodovým TLV senzorem; b) příklad výsledného voltamogramu při současné detekci dvou elektroaktivních látek (Pb a Cd) podle [34] Jednou ze základních voltametrických technik založených na stejnosměrné voltametrii je cyklická voltametrie. Při ní je sledována proudová závislost na potenciálu ve tvaru pily a výstupní proudová odezva je odezvou reversibilního systému, jak je ukázáno na Obr E [V] I [A] a) t [s] b) E [V] Obr : Cyklická voltametrie: a) časový průběh vkládaného potenciálu; b) příklad výsledného voltamogramu Příklad tištěných elektrod použitelných v cyklické voltametrii je na Obr Uprostřed je obvykle pracovní elektroda, vnější kruh je pomocná elektroda. Referenční elektroda může být pouze malá výseč nebo mezikruží s velkou plochou, které je vhodné pro dvouelektrodové měření. Tento tištěný převodník se s výhodou využívá i pro amperometrické senzory a biosenzory. Další příklady tištěných elektrod jsou na Obr Příklad tištěných elektrod vhodných pro dvouelektrodové měření (referenční a pomocná elektroda jsou zkratovány na potenciostatu) ukazuje Obr Vpravo je ukázáno připojení čipu potenciostatu k elektrodám.

114 114 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr : Tříelektrodový převodník pro elektrochemické stanovení voltametricky nebo amperometricky (UMEL FEKT VUT v Brně) Obr : Tištěné elektrody vyráběné firmou DropSens (Španělsko) Obr : Tištěné elektrody UMEL FEKT VUT v Brně, napravo s čipem potenciostatu Amperometrické senzory Vedle pevných elektrolytů na bázi Zr se používají i pevné polymerní elektrolyty, nanášené pomocí polymerní TLV technologie [9]. Využívají se zejména pro měření anorganických plynů a jsou schopné pracovat za pokojových teplot. Např. Nafion se používá jako pevný polymerní elektrolyt v senzorech pro detekci NO [9]. Často tyto senzory pracují v amperometrickém režimu. Z amperometrických měření jsou získány lineární proudové iontově-koncentrační charakteristiky, viz Obr a. Při nastavení operačního módu senzoru do vymezené proudové oblasti a udržováním konstantního napětí je možno měřit proud úměrný koncentraci Obr b [9], [14].

115 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 115 a) b) Obr : Typické charakteristiky amperometrického senzoru s pevným polymerním elektrolytem: a) změna voltampérové charakteristiky s koncentrací; b) závislost proudu na koncentraci Konstantní potenciál pracovní elektrody je zajištěn referenční elektrodou a nezávisí na proudu, který prochází mezi pracovní a pomocnou elektrodou. K tomuto udržení potenciálu slouží potenciostat, který automaticky reguluje potenciál pomocí referenční elektrody řízením proudu procházejícího měřicí celou [9], viz Obr Obr : Struktura a zapojení amperometrického senzoru s pevným polymerním elektrolytem Potenciometrické senzory Potenciometrické senzory jsou založeny na elektrodách II. druhu, přičemž jedna elektroda je referenční a druhá iontově selektivní. Mezi oběma elektrodami se měří potenciál. Procházející proud je velmi malý, protože mají vysokou impedanci Iontově selektivní senzory Pro ochranu životního prostředí a kontrolu znečištění vody je důležité monitorování toxických iontových sloučenin. Koncentraci příslušných iontů v roztoku můžeme stanovit měřením potenciálového rozdílu mezi dvěma elektrodami ponořenými do roztoku [9], [14]. Jedna z nich je díky specifickému elektroaktivnímu materiálu citlivá na příslušné ionty. Tento materiál je většinou tvořen membránou propustnou pouze pro určité ionty. Membrána zde tvoří rekogniční část převodníku. Druhá elektroda, např. typu Ag/AgCl [14], se nazývá referenční. V potenciometrických senzorech je potenciálový rozdíl mezi referenční a pracovní elektrodou měřený bez polarizace elektrochemického

116 116 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně článku, což znamená, že je připuštěn velmi malý proud. Iontová koncentrace souvisí s potenciálovým rozdílem podle Nernstova vztahu: 2.303RT V log Ci, (11.6) Z F i kde C i je iontová koncentrace, R je plynová konstanta, T je absolutní teplota v Kelvinech, Z i je mocenství zkoumaných iontů a F je Faradayova konstanta. Často se tato metoda s použitím skleněných elektrod využívá pro měření ph (tj. vodíkové koncentrace). Iontově selektivní elektrody mohou být snadno vyrobeny použitím uhlíkové polymerní pasty pomocí PTF technologie. V závislosti na elektroaktivním snímacím materiálu mohou reagovat na velkou škálu iontů. Pro životní prostředí je důležitá např. detekce těžkých kovů (Pb, Cd, atd.). Snímací materiál může být aplikován v rozemleté formě smíšené s polymerní pastou, nebo vakuovým nanášením na povrch nanesené pasty [14]. Referenční elektrody mohou být rovněž vyrobeny z uhlíkových polymerních past. Skutečnost, že obě elektrody mohou být tlustovrstvé, znamená, že mohou být miniaturizovány a integrovány s příslušnou elektronikou. Pro vytvoření potenciometrické membrány a imobilizaci enzymů se používají membrány na bázi polyvinylacetátu [14]. Tyto materiály vykazují vynikající adhezi na tlustovrstvé elektrody vytvořené použitím Au nebo AgPd past. Iontově selektivní polymerní membrány se skládají nejméně ze dvou složek: polymeru, který zajistí zejména mechanickou podporu a ionoforu nebo jiné elektroaktivní složky, která zavede požadované elektrochemické vlastnosti, viz Obr Membrány buď obsahují vnitřní referenční elektrolyt, nebo jsou pevně kontaktovány přímo na povrch elektrody bez vnitřního roztoku elektrolytu. Tímto způsobem se vytváří iontově selektivní senzory pro Li, Na, K a amoniak, ale i potenciometrické biosenzory pro glukózu, sacharózu a další. Problém potenciometrických elektrod spočívá v jejich vysoké výstupní impedanci. Přizpůsobení impedance elektrod a připojení nízkoimpedančních měřicích obvodů umožní jednoduché impedanční měniče [9], [14]. Obr : Konstrukce tlustovrstvé referenční elektrody, provedení referenční a iontově selektivní elektrody a příklad měření koncentrace některých iontů těžkých kovů v roztoku prováděné tímto senzorem (čárkovaně je vyznačen teoretický průběh) [14] ISFET senzory Iontově citlivý FET (ISFET), využívá standardní MOS struktury, kde gate je nahrazen iontově citlivou vrstvou, která ovlivňuje pole tranzistoru a řídí tak proud drain-source,

117 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 117 viz Obr Technologicky je celá konstrukce podobná MOS struktuře (Obr ), kde oblast vstupu pro ovládání polem (gate) neobsahuje kovovou elektrodu, ale iontovou membránu, zde z PVA (polyvinylalkohol). Izolační vrstva SiO 2 je mimo hradlo značně zesílena a celá ještě opatřena tenkou vrstvou nitridu křemíku, který je mnohem odolnější vůči zásaditým roztokům než SiO 2. Obr : Principiální schéma ISFETu Obr : Řez strukturou ISFETu SiO 2 /Si 3 N 4 /PVA tvoří citlivou vrstvu na H + ionty. Tento senzor se například užívá pro měření ph moči. Aby mohlo vzniknout pole, je použita Ti/Au jako pseudo-referenční elektroda. Citlivost senzoru je 40 mv/ph. Pro měření odezvy ISFETu lze použít jednoduchý přístrojový zesilovač. Toto zapojení a průběh výstupního napětí v závislosti na rozdílu (V + V ) a ph měřeného roztoku ukazuje Obr U Ref U - ISFET A B Referenční elektroda U + OZ R R OZ R2 R4 R1 OZ R3 U out U out (V) 1,0 ph=2 0,8 0,6 ph=4 0,4 ph=6 0,2 ph=8 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 U DS (V) a) b) Obr : a) jednoduchý zesilovač pro ISFET; b) průběh výstupního napětí

118 118 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Díky velmi rychlému rozvoji montážních technologií lze v poměrně krátké době přizpůsobit i technologie pro výrobu senzorů. Obr a reprezentuje hybridní formu chemického senzoru, kde polovodičový ISFET je jako flip-chip připájen na keramický substrát. Tento senzor je vytvořen technologií HFC-FET (hybride flip-chip field effect transistor). Pracuje v podstatě na principu oddělené báze (gate), který byl nazván SGFET (suspended gate FET). Z pohledu názvu senzoru by potom chemický senzor mohl být nazýván SG-ISFET, ale užívá se stejný název SGFET, protože jak ukazuje princip na Obr b, funguje pouze u chemického senzoru plynů se selektivní vrstvou. Pasivační vrstva Si Vzduchový kanálek Si čip Kontaktní ploška Si Polymerní kuličkové propoje Plyn Citlivá vrstva ΔU U G Keramický substrát Citlivá vrstva Metalizace na keramickém substrátu odlišné vodivé cesty a) b) Obr : a) hybridní ISFET; b) princip SGFETu 11.2 Elektrochemické senzory s nepřímým převodem V mikroelektronické technologii je poměrně snadné vytvořit planární elektrody z platiny nebo zlata. Základní design chemického převodníku představuje Obr , kde jsou elektrody překryty rekogniční citlivou vrstvou. Elektrody jako fyzikální převodník většinou měří změnu odporu nebo kapacity citlivé vrstvy. Vlastnosti tedy určuje materiál citlivé vrstvy, který nějakým známým způsobem reaguje s měřenou veličinou a tím mění své elektrické vlastnosti, které jsou poté měřeny elektrodami. Protože jde o vícenásobný převod, je to převod nepřímý, jenž je velmi běžný u většiny chemických senzorů a biosenzorů. Obr : TLV senzor na bázi SnO 2 (Research Group Göpel) vyrobený sol-gel technologií Obr je příkladem převodníku plynů využívajícího polovodivé oxidy kovů, jejichž pracovní teploty jsou vyšší než pokojová, a proto jsou vyhřívány pomocí topných rezistorů. V TLV technologii je nevýhodou čistota kovové vrstvy, protože pasta musí obsahovat také vazební složky k zajištění adheze vrstvy. Vypálené vrstvy jsou také velmi

119 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 119 drsné i porézní, což na jednu stranu zvyšuje plochu elektrod, na stranu druhou však geometrická plocha neodpovídá skutečné a musí být určena experimentálně. Příklad TLV převodníku plynů využívajícího měření vodivosti citlivé vrstvy představuje Obr , obsahuje potisk z obou stran. Z jedné strany elektrody je převodník tvořený oxidy polovodivých kovů (např. SnO 2, TiO 2, WO 3, apod.), tj. aktivní vrstva je citlivá na plyny. Citlivost změny vodivosti těchto oxidů je obvykle nejvyšší při vyšších teplotách, což bývá od 150 do 600 C. Topný element a snímač teploty je v tomto případě realizovaný z druhé strany substrátu. Pro svoji činnost využívají senzory dvou jevů: Když je senzor vystaven příslušnému plynu (např. CO), volné kyslíkové vazby na povrchu jsou spotřebovány adsorpcí plynu (redukce) a sníží se elektrický odpor, viz Obr Další změny elektrického odporu jsou způsobeny přenosem elektronů mezi adsorbovanými molekulami a polovodičovým povrchem (např. pro detekci NO 2 ) oxidace. 10 mm a) horní strana b) spodní strana 10 mm WO 3 vrstva Au elektrody TCR meandr Pt topný odpor kontaktovací plošky Obr : TLV senzor plynů: a) horní strana s elektrodami a převodníkem, b) spodní strana s vyhřívacím elementem a TCR čidlem chemická sorpce, adsorbované molekuly (např. NO 2 ) heterogenní katalýza, volné molekuly před a po reakci (např. CO oxidace) elektrody substrát hranice zrn a) b) Obr : a) Princip funkce chemického senzoru na bázi oxidů kovů; b) TLV senzor na bázi polovodičových oxidů od firmy Scimarec, typ AF 20 určený pro detekci úniku plynů Mezi nejpoužívanější patří chemické senzory na bázi SnO 2. Přítomnost určitého plynu a jeho koncentrace může být určena hodnotou elektrického odporu, resp. poměrem změny odporu k referenční hodnotě. Závislosti ukazuje Obr

120 120 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně změna odporu [] uhlovodík změna odporu [] teplota [ C] a) b) čas [min] propan zemní plyn vodík Obr : a) Ukázka změny citlivosti SnO 2 senzoru pro různé teploty při působení uhlovodíku; b) časy odezvy pro 50% změnu rezistivity senzoru při působení různých plynů Pro minimalizaci teplotního napětí v substrátu a zamezení praskání substrátu za vysokých teplot bývají odstraněny jeho hrany. Lepší rozložení tepla a tím i zamezení praskání hlavně při rychlém vzrůstu teploty lze docílit i vhodným návrhem topného elementu. Systém může být při běžných okolních teplotách použit také pro určení relativní vlhkosti. Krycí vrstva bývá z materiálů jako např. PVC nebo z umělé kůže, jako je "Pentaid" [14], případně z porézního materiálu bez polovodivých vlastností, např. Al 2 O 3. Postup výroby senzoru s aktivní vrstvou z polovodivých oxidů (např. SnO 2 ) se skládá z několika kroků. V prvním kroku se připraví polovodivý oxid. Nanokrystalický SnO 2 prášek se vyrábí z SnCl 4 modifikovaným sol-gel procesem [20]. Tato metoda je založena na chemickém srážení hydratovaného SnO 2 přidáním amoniaku do vodného roztoku SnCl 4. Po důkladném promytí je sraženina za zvýšené teploty kalcinována. Povrchové dopování (např. Pd, Pt, atd.) připraveného SnO 2 je provedeno impregnací v roztoku odpovídajících kovových chloridů (např. PdCl 2, H 2 [PtCl 6 ], atd.). Další tepelné zpracování redukuje chloridy kovů na kovové složky (např. Pd, Pt, atd.) a odstraní chlór. V dalším kroku se výsledný práškový polovodivý oxid smísí s vhodným množstvím organické složky, a tím vznikne homogenní tisknutelná pasta. Tato pasta je poté pomocí sítotisku nanesena na korundový substrát opatřený elektrodami. Závěrečné žíhání odstraní organickou složku a spojí aktivní vrstvu se substrátem. Spodní strana substrátu je opatřena tištěným vyhřívacím rezistorem (Pt meandr), který zajistí senzoru potřebnou pracovní teplotu. Výsledný senzor se kalibruje pomocí plynové směšovací stanice [20]. Příklad kalibračních křivek uvádí Obr Typické pracovní teploty senzoru se pohybují mezi 200 a 400 C. Vlhkost může být měněna mezi 0 a 100 % RH. Pro stanovení elektrických charakteristik bývají senzory umístěny do mosazných komor. Nastavení požadované směsi plynu se provádí pomocí plynového průtokového systému s počítačem řízeným průtokem. Vlhkost se nastavuje syntetickým vzduchem bublajícím přes sloupec vody a míšením se suchým vzduchem v plynovém směšovači. Mezi dvěma testovanými plyny je senzor hodinu vystaven syntetickému vzduchu, aby bylo senzoru umožněno se zotavit. Přesné nastavení vlastností senzoru závisí na výběru katalytických příměsí, na kontaktech, struktuře nanočástic, tloušťce překrytí, teplotě a frekvenci monitorování stejnosměrného nebo střídavého odporu [20]. TLV senzory na bázi SnO 2 mají dostatečnou citlivost a rychlou odezvu, malou teplotní závislost, dlouhou životnost, vynikající odolnost proti vibracím a nárazům, jednoduchý řídící obvod a dlouhodobou teplotní stabilitu. Jmenovitá spotřeba senzoru bývá menší než

121 Z (k) Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy mw, jmenovité napětí kolem 5 V [37]. Používají se v aplikacích jako detekce úniku plynů, CO alarm, čističky vzduchu, automobilové čističky vzduchu a pro základní vědecké výzkumy. Obr : Kalibrační křivky odezvy SnO 2 senzoru vyrobeného sol-gel technikou pro detekci CO (pro koncentrace 500 ppb až ppm, s CH 4 jako interferujícím plynem) a odezvy na NO 2 Protože použitý materiál určuje impedanční charakteristiku, lze nalézt i velmi zajímavé závislosti impedance, hlavně např. u organických látek citlivých při pokojové teplotě. Příklad odezvy organokovového materiálu, acetylacetonátu cínu, je ukázán na Obr Z (k) H 2 Ar Q plyn syntetický vzduch S Z Obr : Impedační charakteristika senzoru plynů na bázi organokovu

122 122 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Je zřejmé, že metoda bude určovat rozdíl fází mezi plynem a vzduchem při konstantním kmitočtu. Podobně i polymerní vrstvy působením měřené veličiny (chemická látka) mění permitivitu nebo rezistivitu polymerní hladiny, viz např. Obr Senzor využívá interdigitální strukturu elektrod. Příkladem materiálu pro kapacitní polymerní chemický senzor je polyetheruretan, který se používá např. pro detekci etanolu [20]. Obr : Kapacitní polymerní chemický senzor s interdigitální strukturou a s polyetherurethanovou snímací vrstvou. Vlevo odezva tohoto senzoru na přítomnost ethanolu (Research Group Göpel) V posledních letech došlo k vývoji a rozšíření polymerních hydroskopických materiálů pro senzory vlhkosti. Tato zařízení se vyznačují velkou přesností a spolehlivostí. To vše je ve spojení s minimálními náklady a prakticky nulovou údržbou předurčuje k širokému použití v technické praxi. Jako typický příklad kombinovaného polymerního senzoru vlhkosti impedančního typu lze uvést senzor pro měření vlhkosti z kopolymeru, složeného z ionizovaného monomerního NaSS (sodík styren sulfonát) a neionizovaného monomeru HEMA (hydroxyetylmetakrylát), nanesených na substrát s následným sušením. Celý systém je realizován na jednom substrátu, např. s kmitočtově modulovaným výstupním signálem, viz Obr Pro teploty kolem 25 C senzor vykazuje poměrně lineární závislost na relativní vlhkosti. Teplotní závislost je 0,5 až 0,6 % RH/ C v teplotním rozsahu mezi 10 až 50 C. Pro 90% hodnoty relativní vlhkosti je čas odezvy 3 až 4 minuty. Obr : TLV senzor pro měření vlhkosti s integrovanými obvody pro zpracování signálu (astabilní klopný obvod převádí změnu odporu vrstvy na změnu frekvence)

123 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy Gravimetrické chemické senzory Senzory pracují na principu ovlivňování tuhosti pevného roztoku (aktivní vrstvy) měřenou veličinou. Převodník obsahuje dva rezonátory na piezoelektrickém podkladě, mezi nimiž je aktivní vrstva. Rezonátor je většinou tvořený dvěma dvouelektrodovými hřebínkovými systémy, viz Obr Tímto prostředím se potom šíří tzv. povrchová akustická vlna, jejíž útlum lze snadno změřit, popř. najít nový rezonanční kmitočet. Jeden rezonátor tedy generuje akustické vlny, druhý slouží jako snímací. Tento typ senzoru se označuje SAW (surface acustic wave). vstupní převodník výstupní převodník ~ generátor w povrchová vlna zátěž pohlcovač piezoelektrický substrát Obr : Gravimetrický senzor s povrchovou akustickou vlnou Quartz Crystal Microbalance (QCM) je metoda využívaná pro detekci látek na základě piezoelektrického převodníku popsaného v kapitole 7.2. Tyto mikrováhy měří s obrovskou citlivostí hmotnosti okolo 10 9 g. Elektrody použité na krystalu jsou ze zlata (Obr ). Afinita různých biomolekul k tomuto materiálu je známá a využívá se v této metodě k zachycení na krystal a následuje gravimetrické měření. Chemické látky bývají vysráženy na krystalu různými způsoby. Často se využívá redukce nebo oxidace elektrochemicky. Vyhodnocení spočívá v určení posunu rezonančního kmitočtu f a šířky pásma w zatíženého krystalu oproti nezatíženému. a) b) Obr : a) elektrody mikrovážek na Quartzovém krystalu, b) charakteristika ukazující změnu v případě zachycení měřené látky

124 124 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 11.4 Teplotní chemické senzory Teplotní chemické senzory pracují na principu přenosu tepla a jeho změny. V oblasti chemické analýzy můžeme využít čtyři principy pro konstrukci analyzátorů: a) Analyzátory využívající tepelné vodivosti plynů: tepelná vodivost různých plynů je rozdílná. Tepelná vodivost směsi plynů je pro binární směsi dána směšovacím pravidlem. Měření se provádí srovnávací metodou současným měřením známého a analyzovaného plynu. Z toho je zřejmé, že analyzátor má dvě měrné komůrky. b) Analyzátory termochemické: využívá se exotermické reakce sledovaného plynu, která ovlivňuje teplotu odporového článku. Možné reakce jsou plyn-plyn, plynkapalina a také kapalina-kapalina, např. platinový drátek vyhřátý na vyšší teplotu působí jako katalyzátor reakce plyn-plyn (vodík-vzduch, methan-vzduch). Příklad převodníku, který pracuje na termochemickém principu, je senzor na měření změny teploty, která se uvolňuje při chemické reakci (katalýze) měřené látky s aktivním materiálem (katalyzátor). Mezi nejpoužívanější teplotní chemické senzory patří převodníky na bázi SnO 2. Tento polovodivý aktivní materiál je nanesen na tenký platinový drátek, který tvoří topný element pro vyhřívání na teplotu, při které senzor vykazuje maximální citlivost, a zároveň snímač teploty, viz Obr [39]. Přítomnost určitého plynu a jeho koncentrace je určena poměrem změny teploty. Tento typ převodníku se nazývá semistor (angl. semicoductor based pellistor) [14]. Umožňuje měřit pouze hořlavé plyny, které jsou ve vyhřátém materiálu díky katalyzátoru spáleny, čímž se zvýší teplota. Změna teploty je úměrná koncentraci plynu. Obr : Semistor na bázi SnO 2 pro detekci metanu c) Analyzátory využívající změny elektrické vodivosti polykrystalických polovodičů vlivem plynu: využívá se změny elektrické vodivosti polovodiče při reakci s chemicky redukovaným plynem. Změny vodivosti jsou vratné, děj probíhá tím rychleji, čím vyšší je teplota odporového článku. Užívané materiály jsou slinuté oxidy zinku, železa, cínu, wolframu a titanu. Tento typ senzoru se také řadí mezi odporové (vodivostní) či impedanční chemické senzory s nepřímým převodem, protože i když závisí na teplotě, měřenou veličinou je vodivost či impedance. Tento princip je velmi používaný pro analýzu plynů a podrobně popsaný v kapitole Převodník se vyrábí ve tvaru trubičky, ale díky novým technologiím se už také připravuje jako TLV nebo TNV vrstva. Používá se např. k indikaci výfukových plynů spalovacích motorů a k detekci úniků toxických plynů v průmyslu.

125 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 125 d) Analyzátory termomagnetické: využívá se silových účinků paramagnetických plynů v magnetickém poli a změny magnetických vlastností plynu nad teplotou Courierova bodu (plyn se stává diamagnetickým). Tyto změny ovlivňují teplotu měřicího odporového článku Optické chemické senzory Účelem optického (bio)chemického senzoru je měření změn fyzikálních veličin způsobených (bio)chemickou interakcí monitorované látky s měřicím systémem. Z hlediska principu a funkce platí, že: Výhodná je silná závislost na parametrech systému (vlnová délka, úhel dopadu, index lomu zkoumaného prostředí, tloušťky adsorbovaných vrstev, atd.) a z toho plynoucí vysoká citlivost a rozlišení. Chemooptický převodník převádí změny chemických a biochemických veličin (např. koncentrace molekul monitorované látky, jejich aktivitu, apod.) na fyzikálně měřitelné veličiny (tloušťka adsorbovaných vrstev, jejich index lomu), které jsou detekovány a vyhodnoceny. zkoumaná látka vrstva zlata (cca 50 nm) optická část dráha paprsku optické vlákno optický hranol Obr : Optický chemosenzor s povrchovým plazmonem Na rozhraní kovu a dielektrika existuje ztrátová elektromagnetická vlna zvaná povrchový plazmon (Surface Plasmon Wave, SPW). Zdroj optického signálu je polovodičový laser s fixním nebo proměnným úhlem dopadu a detektor detekuje pouze výkon nebo spektrum. Optický hranol lze nahradit moderním optickým prostředím, jímž je optické vlákno (Obr ). Nosič SPW je tenká kovová vrstva (zlato nebo stříbro o tloušťce cca 50 nm), případně další dielektrické vrstvy. Toto rozhraní kov-optické prostředí se chová následovně: je-li frekvence světla pod frekvencí plazmonu, záření je odráženo elektrony kovu zastiňují (filtrují) elektrické pole světla; je-li frekvence světla nad frekvencí plazmonu, záření je přenášeno elektrony již nemohou kmitat rychleji, aby zastínily (filtrovaly) světlo; dojde-li k rezonanci (Surface Plasmon Resonance, SPR), dojde k útlumu optického signálu. Poslední případ je využíván pro detekci látek, které se rozpuštěné v roztoku aplikují na kovovou vrstvičku. Interakce plazmonu, pohybujícího se vrstvičkou kovu, s látkami v roztoku se projeví na jeho útlumu a posunu rezonančního kmitočtu.

126 126 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Jako chemosenzor bude systém pracovat, bude-li na místě zkoumané látky polymer měnící své vlastnosti v přítomnosti aldehydů, alkoholů a jiných uhlovodíků, které tímto systém rozpozná. V případě biosenzorů lze využit specifické interakce, např. antigenprotilátka, enzym-substrát, léčiva a proteiny, hormony a jejich buněčné receptory. Příklad takového vláknového senzoru ukazuje Obr Obr : Optický vláknový chemosenzor Velmi rozšířené analytické metody, které se díky složitosti systému obtížně miniaturizují, jsou spektroskopické metody. Mezi nejrozšířenější patří hmotnostní spektrometrie, která stanovuje poměr hmotnosti m a náboje částic Q. Používá se pro stanovení hmotnosti částic či stanovení elementárního složení vzorku nebo molekuly, ale i pro určení chemické struktury molekul. Obr : Princip hmotnostního spektrometru a příklad spektra toluenu Princip je založen na ionizaci částic (molekul, iontů) po odpaření vzorku. Takto nabité částice jsou odděleny podle poměru m/q elektromagnetickým polem a přivedeny k detektoru. Samotná ionizace může být provedena dopadem proudu elektronů, chemicky reakcí s analytem (jemnější zdroj), elektrosprejem, kdy se nabité ionty z kapalné polární

127 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 127 fáze převádí do plynné, nebo laserem asistovanou desorpcí či indukčně vázaným plazmatem. Analyzátor odděluje ionty podle poměru m/q. Pohyb nabitých částic v elektrickém a magnetickém poli ve vakuu popisuje Lorentzův zákon síly a Newtonův druhý pohybový zákon (rychlosti částic jsou nižší než světlo). Při rovnosti obou sil byl odvozen vztah ( ), (11.7) kde E je elektrické pole, B magnetické pole, v je rychlost a a je zrychlení. Sektorové pole hmotnostního analyzátoru užívá elektrické a/nebo magnetického pole, která ovlivňují cestu a/nebo rychlost pohybu nabitých částic. Toto pole ohýbá cestu iontů, zatímco projdou hmotnostním analyzátorem, podle jejich m/q poměru. Vychylování více nabitých a rychleji se pohybujících lehčích iontů je znatelnější. Pokud mají částice stejný náboj, bude kinetická energie částice totožná, a jejich rychlost bude záviset pouze na jejich hmotnosti. Lehčí ionty dosáhnou detektoru první. Detektor se skládá ze dvou kovových desek, které zaznamenávají průchody iontů Fluorescenční chemické senzory Fluorescence je krátce trvající luminiscence (< 10 8 s) nebo luminiscence vznikající při spontánních přechodech ze vzbuzeného do základního stavu po absorbování zářivé energie. K fluorescenci dochází v plynech, parách, kapalinách a v nerostech jako fluorit a kalcit. Fluorescenční analýza je založena na měření záření, které zkoumaný vzorek emituje. Fluorescenční záření není tepelným zářením, má jinou vlnovou délku než záření primární a trvá krátce po přerušení primárního záření. Detekuje-li se záření vytvořené chemickou reakcí, mluvíme o chemiluminiscenci, která je v chemické analýze a tedy i pro konstrukci chemických senzorů také velmi používaná. Příkladem může být senzor pro detekci oxidů dusíku. NO reaguje s ozonem (11.8) za tvorby oxidu dusičitého v excitovaném stavu. Při návratu excitovaných molekul na základní hladinu je přebytečná energie emitována ve formě světla (11.9). (11.8) (11.9) Intenzita chemiluminiscence je přímo úměrná koncentraci NO. Vlnová délka emitovaného světla leží v červené a infračervené oblasti spektra ( nm). Přestože jsou detektory emitovaného světla citlivé jen v oblasti vlnových délek pod 900 nm, patří metoda chemiluminiscence k nejcitlivějším metodám pro stanovení NO detekční limit je 1 2 pm. Receptory s vláknovou optikou využívají fluorescence, k níž dochází při reakci fluorescenční látky nanesené na optickém vláknu s analyzovanou látkou. Pro konstrukci se využívá světlovodu, u kterého je odstraněn jeho obal (Obr ). (Bio)chemicky citlivá vrstva je nanesena na světlovodném vlákně, ve kterém vzniká fluorescenční záření odlišné vlnové délky ve srovnání s primárním zářením. Toto fluorescenční záření je vedeno do detektoru.

128 128 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 11.7 Biosenzory Obr : Fluorescenční biosenzor Biosenzor je zařízení, ve kterém se spojuje část pro rozpoznání bioaktivní částice (biorekogniční část) a chemický převodník popisovaný na začátku kapitoly 11. Jde o další druh senzoru s vícenásobným převodem veličin. Rekognice je zajištěna prostřednictvím biologicky citlivého elementu (receptoru), který je nanesen (imobilizován) na povrchu převodníku. Tato membrána převádí měřenou veličinu na neelektrickou. Membránu si lze představit jako síť molekul, které jsou schopny přijmout do reakce určité molekuly (selektivní reakce) a vytvořit detekovatelný produkt (elektrony, ionty, světlo, apod.). Lze říci, že membránu tvoří protilátky (receptory), do kterých zapadne pouze určitá část detekované látky, viz Obr Receptorem může být protilátka, enzym, buňka, mikroorganismus, DNA sekvence, apod. Receptor je v těsném kontaktu s převodníkovou částí, která převádí reakci mezi analytem a receptorem na kvantitativní, nejčastěji elektrický nebo optický signál. Už v roce 1985 prof. C. R. Lowe (University of Cambridge) ve své publikaci As introduction to the concepts and technology of biosensors předpovídal, že největší rozvoj biosenzorů bude vycházet z oblasti zdravotnictví. Účinná péče o pacienta je založena na častém měření mnoha metabolitů nacházejících se v krvi, potu, moči a slinách. Lowe navrhoval, aby byly senzory implantovány do těla pacienta, kde by podle úrovně měřeného metabolitu okamžitě docházelo k uvolnění přesného množství léčiva. Tento přístup se uplatnil při vývoji umělého pankreatu (slinivky břišní) pro diabetické pacienty. Senzor snímá hodnotu koncentrace glukózy v krvi a podle její úrovně uvolňuje potřebné množství inzulínu.

129 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy 129 Obr : Principiální činnost biosenzoru Pro představu rozsahu pojmu biosenzor lze uvést např. enzymové biosenzory se třemi různými převodníky. Biosenzor s glukóza oxidázou je příkladem elektrochemického převodníku, jelikož elektroaktivní produkt enzymové reakce lze detekovat elektrochemicky. Podobně biosenzor s laktát monoxygenázou pracuje s optickým převodníkem, jelikož reakcí s analytem se mění optické vlastnosti uvedeného enzymu. Konečně výše zmiňovaný enzym s glukóza oxidázou může být sestaven i s kalorimetrickým převodníkem, protože při reakci enzymu s analytem dochází k uvolňování tepelné energie. Každý princip převodu chemických veličin zmiňovaný v této kapitole může být využit i pro biosenzory přidáním potřebné biorekogniční části. Biosenzory jsou díky biologicky citlivému elementu specifické, a mohou být tedy použity pro přímé měření složitých komplexních médií jako je krev, sérum, moč, fermentační půdy, potraviny, často s minimální úpravou vzorku před měřením. Na VUT v Brně (UMEL, FEKT) byl v rámci projektu ANTOPE (Analyzátor toxicity pesticidů, MPO FD-K2/53) vyvinut přístroj, který využívá pro detekci toxického účinku některých pesticidů amperometrický biosenzor s imobilizovaným enzymem acetylcholin esterázou (AChE). Organofosforové a karbamátové pesticidy inhibují AChE, která v nervových synapsích (místech spojení neuronu s další buňkou) živočichů rozkládá chemický přenašeč vzruchů acetylthiocholin (ATCh). Pokud jsou aktivní centra enzymu blokována např. pesticidy, dochází k hromadění ATCh v synapsi, což umožňuje nepřetržité předávání vzruchů, vedoucí ke zhroucení nervové koordinace. Hmyz nebo savec dostává křeče a nakonec hyne. Princip měření kopíruje proces v živém organismu tím, že AChE izolovaná z elektrického orgánu úhoře je imobilizovaná na pracovní elektrodu podobného tištěného převodníku jako na Obr Pokud se do roztoku omývajícího senzor přidá substrát ATCh, dojde k jeho rozložení a vznikne proudová odezva. Přidáním inhibujícího pesticidu se zablokuje část aktivních center imobilizovaného enzymu a proud poklesne. Tento model umožňuje zjištění skutečného toxického působení inhibitorů na nervový systém. Na pracovní elektrodě senzoru je uchycen enzym AChE pomocí imobilizační směsi obsahující glutaraldehyd (síťovací činidlo) a hovězí sérový albumin (bovin serum albumin, přírodní bílkovina). Zmiňovaný enzym slouží jako katalyzátor (tzn., že urychluje chemickou reakci) rozkladu ATCh, viz následující reakce: AChE ATCh TCh CH COOH. (11.10) 3

130 130 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr : Příklad měření s elektrochemickým biosenzorem Produkt jeho rozkladu TCh thiocholin je snadno amperometricky detekovatelný díky jeho okamžité oxidaci na pracovní elektrodě senzoru při vhodném vloženém potenciálu (+350 mv). Pokud se v analyzovaném roztoku objeví pesticid, který blokuje funkci katalyzátoru AChE, dochází ke zpomalení této reakce, a to se projeví změnou směrnice proudové odezvy (viz Obr ). Části grafu odpovídající inhibici jsou označeny zelenou oboustrannou šipkou. Jiný příklad užívaný v praxi je biologický senzor (biosenzor) těžkých kovů používají kolonie fluoreskujících bakterií (úbytek fluorescenčního záření odpovídá koncentraci těžkých kovů). Biosenzor typu ENFET je ISFET s hradlem potaženým enzymovou vrstvou. Obvykle se senzor připravuje přímo v diferenciálním uspořádání (ENFET s enzymem a REFET s vrstvou inertního proteinu) pro kompenzaci změn vodivosti roztoku. Jako pseudoreferenční elektroda může sloužit Au elektroda umístěná uprostřed. Příklad uspořádání je uveden na Obr Obr : Uspořádaní biosenzoru ENFET Light Addressable Potentiometric Sensor (LAPS) je polovodičový převodník konstrukčně jednodušší než ISFETy, navíc je možné připojení kontaktů ze strany, která není v kontaktu s roztokem (Obr ). Základem je křemíkový čip potažený vrstvami oxidu křemičitého a nitridu křemíku. Na povrchu je rozdělen na několik polí (komůrek) pomocí další vrstvy SiO 2. Celý čip má pouze jeden kontakt. V neosvětleném stavu je senzor neaktivní. Pokud se z druhé strany přes křemíkový substrát osvítí (infračervená LED, při 940 nm pronikne světlo do křemíku 50 nm hluboko), dojde k lokální aktivaci