Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy Ing. Jaromír Hubálek, Ph.D. Ústav mikroelektroniky U7/104 Tel. 54114 6163 hubalek@feec.vutbr.cz http://www.umel.feec.vutbr.cz/~hubalek
Obsah Úvod do senzorové techniky Základy mikroelektronických technologií Odporové senzory Kapacitní senzory Indukčnostní senzory Generátorové senzory Polovodičové senzory Optoelektronické senzory Speciální druhy senzorů Chemické senzory Mikroelektromechanické systémy
Úvod do senzorové techniky Definice senzoru Základní pojmy Rozdělení senzorů Parametry
Definice senzoru Pod pojmem senzor je chápáno zařízení, které snímá sledovanou fyzikální, chemickou nebo biologickou veličinu a dle určitého definovaného principu ji transformuje fyzikálním převodem na veličinu výstupní. Stav sledované veličiny snímá citlivá část senzoru občas označovaná jako čidlo a zpracovává vyhodnocovací obvod senzoru. Výstupní informací z vyhodnocovacího obvodu senzoru je kvantitativní, obvykle elektrický signál, který je vyhodnocen elektronickým detektorem a lze ho dále zpracovat dalšími obvody. Podnět, prostředí Snímací převodník (čidlo) SENZOR Vyhodnocovací obvod elnic. detektor, DSP Další obvody, komunikace Fyzikální, chemický proces výstupní veličina kvantitativní
Základní pojmy Senzorová pole vícero integrovaných senzorů se stejnou nebo podobnou funkcí. Multisenzor se skládá z několika senzorů se stejnou nebo podobnou funkcí. Multifunkční senzor je jednoduchý integrovaný senzor, který může realizovat několik rozdílných snímacích funkcí za různých podmínek. Inteligentní senzor je zařízení, které v sobě obsahuje citlivou část (čidlo) a obvody pro převod, úpravu, autokalibraci, autodignostiku, řízení a komunikaci s dalšími zařízeními v jediném celku. Senzor s citlivou částí oddělenou od mikroelektronické části, pokud je její vzdálenost od čidla minimální a bude tvořit s čidlem jediný mechanicky, elektricky a funkčně uzavřený celek. Citlivá část je s mikroelektronickou spojena nejčastěji elektricky nebo opticky. Vstupní část převod, linearizace, filtrace, zesílení Výstupní část komunikace s okolím po sběrnici Vnitřní část autokalibrace, autodiagnostika, řízení rozsahů
Generace senzorů První generace senzorů makroskopické principy elektromechanické, elektrochemické nebo mechanické ( senzory odporové kontaktové, kapacitní) Druhá generace senzorů využívá elektronické jevy v tuhých látkách (piezoelektrický jev, magnetostrikční jev, fotoelektrický jev apod.) a v plynech (nárazová ionizace). Polovodičové senzory zejména mikroelektronické senzory slučitelné s integrovanými obvody ( jednočipové inteligentní senzory, označované též jako SMART převodníky, respektive SMART 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 MEMS - nová generace senzorů, založená na mikroelektromechanických systémech umožňující miniaturizaci druhé a třetí generace
Vývoj senzorů podle složitosti struktury Název Inteligentní senzor Senzor s digitálním zpracováním Senzor s electronickým detektorem Čidlo -převodník Podmět, prostředí (měřená veličina) Převod neelektrická veličina/ elektrická veličina Analogové vyhodnocení signálu A/D převodník Mikroprocesorové řízení Signál ke sběrnici (výstupní veličina) SMART senzor jen tehdy, je-li celý systém realizován na jednom substrátu monolitickou technologií
Senzory v technologickém procesu Měřicí řetězec (kanál) je soubor měřicích členů (jednotek) účelně uspořádaných tak, aby bylo možno co nejlépe získat informaci o velikosti měřené fyzikální veličiny
Obecné rozdělení senzorů podle vstupní veličiny geometrických veličin (měření polohy, posunutí, atd.), mechanických veličin (měření rychlosti, akcelerace, síly, tlaku, průtoku, mechanického napětí, atd.), teplotních veličin (teplota, tepelný tok, atd.), elektrických a magnetických veličin, intenzity vyzařování (elektromagnetické, radiační veličiny ve viditelném, infračerveném a jiném spektru, zvukové, atd. ), chemických veličin (koncentrace iontů nebo plynů, ph, iontově selektivní analýza atd.), biologických veličin (koncentrace enzymů, DNA analýza, atd.).
Obecné rozdělení senzorů podle výstupní veličiny: elektrický signál (senzory odporové, indukčnostní, indukční, kapacitní) optický (změna barvy nebo jasu) mechanický (posunutí ukazatele) dále na analogový a digitální dle styku senzoru s měřeným prostředím: dotykové. bezdotykové,
Obecné rozdělení senzorů podle principu převodu fyzikálním převodem fyzikální děj (mechanicko-elektrický, termorezistivní, termoelektrický, pyroelektrický, piezoelektrický, piezorezistivní, Hallův jev, magnetorezistivní, magnetostrikční, magnetoanizotropní, vnitřní a vnější fotoelektrický jev, atd.) chemickým převodem chemická reakce na rozhraní analyt-senzor (adsorbce, absorpce, redukce, oxidace, ), biochemickým převodem tvoří samostatnou část chemických senzorů, ke své činnosti využívají biologicky aktivní látky (enzymy, protilátky, ).
Obecné rozdělení senzorů podle chování výstupu (též dle transformace signálu) chová-li se výstup senzoru jako zátěž s definovanými parametry nebo jako zdroj signálu. generátorové (též aktivní) působením měřené veličiny se senzor chová jako zdroj energie (senzory pracující na principu převodu termoelektrickém, piezoelektrickém, elektromagnetickém indukčním, fotoelektrickém, elektrochemickém, atd., pasivní působením měřené veličiny se mění některý z parametrů senzoru (často elektrická veličina, např. indukčnost, kapacita, odpor; nebo optická veličina např. změna barvy). Veličinu je transformována na analogový napěťový nebo proudový signál.
Obecné rozdělení senzorů podle převodu neelektrické veličiny senzory s jednoduchým převodem měřená veličina se mění přímo na veličinu výstupní, senzory s několikanásobným převodem měřená veličina se mění nejprve na jinou veličinu a tato se mění dále na veličinu výstupní (převod může být i vícenásobný) podle výrobní technologie např. senzory elektromechanické, mechanické, pneumatické, elektrické, elektronické, mikroelektronické (technologie tlustých vrstev, technologie tenkých vrstev, polovodičová technologie), elektrochemické, optoelektronické
Základní parametry senzorů Požadavky: 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 minimální zatěžování měřeného objektu vysoká spolehlivost velmi nízká pořizovací cena a nízké náklady na provoz jednoduchá obsluha a údržbu
Základní parametry senzorů Statické vlastnosti senzoru vyjadřuje vlastnosti při neměnném (DC) nebo velmi pomalu měnícím se signálu Dynamické vlastnosti vyjadřují chování na rychle měnící se signál odezva na skokovou změnu nebo harmonických signál Další vlastnosti
Statické vlastnosti Statická přenosová charakteristika y=f(x) Ideální křivka známá na základně exaktních poznatků kalibrační křivka určena z kalibračního měření a body proloženy matematickou funkcí obecně y=(a 0 +a 1 x+a 2 x 2 + a n x n )x Lze stanovit regresí z naměřených výsledků Kalibrace vystavení senzoru různým standardům o známé hodnotě. Kalibrační body by měly uzavírat pracovní oblast senzoru, aby nebylo třeba provádět extrapolace. y=(a 0 +a 1 x+a 3 x 3 )x
Statické vlastnosti Korekční křivka rozdíl mezi naměřenými hodnotami a kalibrační křivkou slouží k určení chyby, odklonu od předpokladu Citlivost sklon statické charakteristiky udává citlivost senzoru K = a 0 = y/ x u lineární charakteristiky je konstanta u nelineárních se forma zápisu liší rozdělení do rozsahů, logaritmická citlivost (ln K), aj.
Statické vlastnosti Linearita (též chyba linearity, nelinearita nebo integrální nelinearita) udává maximální odchylku kteréhokoliv kalibračního bodu od odpovídajícího bodu na ideální statické přenosové charakteristice. Limit detekce nejmenší měřitelná hodnota - odpovídá střední kvadratické odchylce šumu senzoru Rozlišení nejmenší inkrement výstupu senzoru, který senzor zaznamená při změně vstupu (absolutní nebo relativní chyba senzoru).
Statické vlastnosti Plný rozsah nejvyšší hodnota měřené veličiny, která může být senzorem detekována. Dynamický rozsah dán intervalem dolní a horní hranicí měřícího rozsahu, tj. mezi limitem detekce a plným rozsahem. Relativní chyba δ vztažená k horní hranici rozsahu rozsah lze rozdělit na pásma o šířce yp = 2δ xmax rozlišitelných pásem n = xmax / yp = 1 / 2δ množství informace získané ze senzoru I = log2 1 / 2δ
Statické vlastnosti Hystereze maximální rozdíl ve výstupu při jakékoliv hodnotě měřeného rozsahu, kdy hodnota je měřena nejdříve při zvyšování a poté při snižování měřené veličiny. Selektivita (vliv interferencí) Odezva senzoru by měla být reakce pouze na přítomnost měřené veličiny, ostatní by se neměly v odezvě projevit. V praxi je nutné tyto rušivé (ostatní) veličiny dostatečně potlačit. Využít 1 i více senzorů (pole senzorů) s různou citlivostí na měřenou veličinu a použitím diskriminačních metod (neronová síť, fuzzy logika, wavelet transformace apod.)
Statické vlastnosti 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 se obvykle určuje jako čas potřebný k dosažení určité velikosti signálu v konečném ustáleném stavu (t ), např. t 95 pro dosažení 95%.
Statické vlastnosti Šum je neužitečný signál, který je vždy namodulován na signálu odezvy senzoru. Vzniká zejména průnikem elektromagnetických vln (frekvence 50 Hz rozvodné sítě, měniče napájecích zdrojů), teplotními změnami v materiálu (tepelný šum) nebo chemickými či elektrochemickými reakcemi. Dlouhodobá stabilita
Dynamické vlastnosti 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.
Dynamické vlastnosti měřená a výstupní veličina je funkcí času dynamický systém lze popsat lineární nebo po částech lineární diferenciální rovnicí s konstantními koeficienty přenosová funkce (p) a kmitočtová charakteristika (jω): F(p) = Y(p) X(p) (1 + pt1 )(1 + pt2 )...(1 + = K (1 + pt )(1 + pt )...(1 + ptm ) pt ) parametry: časová odezva a konstanta, šířka pásma, frekvenční rozsah, rychlost přenosu, atd. 1 2 n
Další parametry posun nuly vlivem teplotního, časového, napájecího a jiného driftu, doba odezvy, selektivita, doba života, kvantizační chyba, počet bitů, rušivé vlivy (teplota, tlak, vlhkost, radiace, elektrické a magnetické pole, atd.)