Kapacitív elvű szenzorok

Kapacitív elvű szenzorok

Nagy Gergely

BME EET

2

Az előadás áttekintése

1) Bevezetés

2) A páratartalom jellemzése és mérése

3) Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk

4) Mikroelektronikai nedvességérzékelők

5) Kapacitív szenzorok kiolvasó elektronikái

3

1. Bevezetés

A páratartalom mérésének jelentősége:

Ipari felhasználás: Kerámia-üzem Műtárgyak tárolása

„Emberi” felhasználás: Légkondicionáló berendezések Idős-ellátás automatizálása (ambient intelligence)

4

2. A páratartalom jellemzése és mérése

A páratartalom jellemzése: Abszolút páratartalom (AH – absolute humidity) Telített gőznyomás Relatív páratartalom (RH – relative humidity) Harmatpont

A páratartalom mérése: Harmatpontmérés Pszikrometrikus mérés Higrometrikus mérés

5

Az abszolút páratartalom

Definíció: A levegő vízgőztartalma [kg / m3] vagy [mol / dm3] koncentráció-egységben:

V

MnAH w

ahol •n a vízmolekulák száma•Mw a molekuláris tömeg •V a térfogat

6

Telített gőznyomás

Definíció: az a nyomás, ahol megindul a kicsapódás (a levegő nem tud több vizet felvenni):

2

543

22 expexp10 1 TaTa

T

aaTTp a

s

ahol a1..5 tapasztalati állandók

7

Relatív páratartalom

„Emberközelibb” mértékegység – összhangban van a szubjektív nyirkosságérzetünkkel

Definíció: a levegőben oldott vízgőz mennyisége a maximálisan oldható vízmennyiség százalékában kifejezve:

s

w

P

PRH 100

ahol Pw a részleges vízgőz nyomás, Ps pedig az adott hőmérséklethez tartozó telítési nyomás

8

Harmatpont

Egy állandó térfogatban és állandó nyomáson lévő gáznak a hőmérsékletét csökkentve, a RH nő. Egy adott hőmérséklet alatt a víz elkezd kicsapódni – ez a harmatpont.

Definíció: harmatpontnak nevezzük azt a hőmérsékletet, amelyen a levegő telítetté válik vízgőzben

9

A páratartalom mérése

Az elterjedt mérési elvek: Harmatpontmérés

Pszikrometrikus mérés

Higrometrikus mérés

10

Harmatpontmérés

A harmatpont függ a RH-tól, és általában alacsonyabb a környezet hőmérsékleténél

A harmatpont és a környezet hőmérsékleté-nek különbségéből számítható a RH

Módszer: egy megvilágított felületet hűtenek, és fotoelektromos eszközök segít-ségével vizuálisan érzékelik a kicsapódást a reflektálóképesség megváltozásából

11

Pszikrometrikus mérés (1)

Azt használja ki, hogy a párolgás hőt von el, amelynek mennyisége függ a párolgási sebességtől

Minél nagyobb a RH, annál lassabb a párolgás

Módszer: mérik a levegő és egy nedvesen tartott tárgy hőmérsékletét

12


A két mért érték különbségéből a relatív páratartalom számítható:

wasw TTpp

ahol •Ta a levegő hőmérséklete•Tw a nedves felület hőmérséklete• a pszikrometrikus állandó

13


Gond a mérési elvvel: száraz levegő esetén szobahőmérsékleten a nedves tárgy hőmérséklete fagypont alá eshet, és a víz fagyáshője meghamisíthatja az eredményt

14

Higrometrikus mérés (1)

Olyan anyagi paramétereket mérnek, ame-lyek közvetlenül arányosak a relatív páratartalommal

Klasszikus megvalósítás: az érzékelő olyan szerves anyag (pl. zsírtalanított hajszál), amely a páratartalomtól függően megváltoz-tatja a méretét

15


Modern, de hasonlóan mechanikai elven működő érzékelők: Piezorezisztív elemek segítségével mérik egy

nedvességérzékeny film méretének megváltozá-sát

Egyik végén befogott rezgőnyelv rezgési frek-venciájának megváltozását mérik, amely függ a nyelv felületén felhalmozódott nedvesség súlyától

Ezen szenzorok MEMS technológiákkal megvalósíthatóak

16


A mechanikai érzékelők hátránya:

Kis szelektivitás

Nyomásérzékenység

17


Előnyös, ha a mérés során rögtön elektromos jelet kapunk eredményül – ilyen például a Dunmoore-cella, amely LiCl sűrű oldatát tartalmazza elektrolitként. Ez a RH-tól függő mennyiségű vizet tud felvenni, és ettől függően változik a vezetőképessége.

18


A higrometrikus elv jelentősége az, hogy különböző mikroelektronikai technológiák-kal jól megvalósíthatóak ilyen elven műkö-dő szenzorok, amelyek: Kis méretűek Kis fogyasztásúak Hosszú élettartamúak

19


1) Bevezetés




5) Esettanulmányok

20

3. Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk

A pórusos anyagok körülvesznek minket: Aktív szén (szűrő, gyógyszer) Ytong – ALC könnyű cement tégla

21

Pórusos anyagok csoportosítása

A pórusos anyagokat a pórusaik mérete szerint csoportosíthatjuk: Mikropórusos anyagok: 2 nm alatti pórusméret Mezopórusos anyagok: 2 – 50 nm-es pórusmé-

ret Mezopórus 1: 2 – 10 nm Mezopórus 2: 10 – 50 nm

Makropórusos anyagok: 50 nm feletti pórusmé-ret

22

Pórusos anyagok felhasználási területei

A csoportosítás oka: a pórusméret határoz meg sok anyagi paramétert, és így a felhasználás lehetőségeit is

23

Pórusméret hatása az anyagi paraméterekre

Nincs függés a porozitástól: rács-paramé-terek, egységnyi cella térfogata hőtágulás, egységnyi súlyra vett hőkapacitás, sűrűség

Csak a pórusok számától való függés: lát-szólagos sűrűség, dielektromos állandó, egy-ségnyi térfogatra vett hőtágulás

Pórusok számától és jellegétől való függés: mechanikai tulajdonságok, vezető-képesség (hő- és elektromos), tortuozitás

24

Atom és molekula pórusok szintézise (1)

Ezek a mikropórusos anyagok Tipikus képvielőjük: zeolit A pórusok kb. akkorák, mint a molekulák (kb. 1

nm) – az anyagszerkezet 3D-s Az iparban katalizátorként használják őket Létrehozásuk: hidrotermális szintézissel

Si- és Al-forrást és kristályosító adalékot helyez- nek egy autoklávba, ahol az anyagok feloldódnak, majd újrakristályosodnak – a paraméterek az adalékok arányától függenek

25

Atom és molekula pórusok szintézise (2)

Léteznek rétegzett szerkezetű mikropórusos anyagok – ilyenek a montmorillonitok, ame-lyek felpuffadnak a víz hatására – a rétegek távolsága RH-függő (!)

A rétegeik közé 1, 2 vagy 3 vízmolekula réteg tud férkőzni – a határt az energiaegyensúly szab (Coulomb-energiák, hidratációs energia, vízadszorpciós energia)

A rétegtávolság így 0,95, 1,24, 1,54 vagy 1,9 nm lehet

26

Molekulaaggregátum pórusok szintézise

A mezóporusos anyagok első csoportjába tartoznak

Elérik az a fizikai-kémiai határt, ahol megjelenik: mikropórus betöltés kapilláris kondenzáció

Ilyen anyagok: MCM-41 FSM-61

27

Folyadékfáziú pórusos anyagok

A mezopórusos anyagok 2. csoportja Nem ők folyadékfázisúak, hanem a pórusba

bejutó anyag viselkedik folyadékként

28

Térbeli pórusos anyagok

Ezek a makropórusos anyagok Ilyen az ALC – az Ytong

Összetevői: a beton hagyományos anyagai (szilícium-dioxid, gyorsmész,

portland cemenet) alumínium – szerepe: hidrogént fejleszt

29

Pórusos szilícium

Jól szabályozhatóak az anyagi tulajdonságai Szerkezeti anyagként és feláldozandó réteg-

ként is használják Előállítása: Si elektrokémiai marása tömény HF-

ban

30

Pórusos szilícium gyártása (1)

31


A pórusos szilícium előállításánál az anyagi paraméterek függnek: az elektródokra kapcsolt feszültségtől az áramsűrűségtől az adalékolás típusától n-adalékolás esetén a megvilágítástól

32


A p-típusú pórusos szilícium gyártása:

33


Az n-típusú pórusos szilícium gyártása:

34


Pórusos szilícium csoportosítása:

Mikropórusos p-Si (< 5 nm): p-típusú szeletből

Mezopórusos p-Si (5 – 50 nm): p+ vagy n-típusú

Makropórusos p-Si (> 50 nm): n-típusú szelet

35


1) Bevezetés





36

Mikroelektronikai páraérzékelők típusai (1)

Rezisztív ~: Fajlagos ellenállás általában csökken, ha a pára-

tartalom nő A pórusok falára víz kondenzálódik, ami befolyá-

solja az anyag vezetőképességét Az érzékelő anyaga valamilyen kerámia:

(pl.: TiO2-V2O5, ZrO2-MgO) Érzékenység jó: 10 – 90% Beállási idő: nagyon lassú (akár néhány perc)

37


Kapacitív ~: A dielektrikus tulajdonságok változnak meg a

páratartalom hatására Előnyük:

Nagy felbontás Kis zaj Kis fogyasztás Kis hőfüggés

38


Kialakítható olyan MOS tranzisztor, amelynek a gate-oxidjának kapacitása páratartalom függő

A MOS transzferkarakterisztikája közvetlenül és a nyitófeszültség révén közvetve is függ a gate-oxid kapacitásától

39

Az EET-n megvalósított páraérzékeny kondenzátor (1)

Közvetlenül RH-t mér Síkkondenzátoros szerkezetű – az alsó

fegyverzet maga a szelet Rajta vékony védő-oxid az átvezetés

megakadályozására nagy RH esetén Páraérzékeny dielektrikum: pórusos Al2O3

Felső fegyverzet is pórusos, hogy a dielektri-kumot elérje a nedvesség (pórusos palládium)

40


41


Az érzékelő réteg (Al2O3) kialakítása: Alumínium leválasztása vákuum-párologtatóban Anódos oxidáció révén a pórusos szerkezet kialakítása

42


A felső elektróda (Pd) előállítása: Katódporlasztással történt a leválasztás Mintázat kialakítása gond, mert félő, hogy a fotoreziszt

bejut a pórusokba lift-off technológia

43


1) Bevezetés





44

A kapacitív szenzorok előnyei

Kis fogyasztás Kisebb zajérzékenység Kis hőfüggés Nagy felbontás Kompatibilitás a legtöbb elterjedt gyártástech-

nológiával

45

A differenciális elrendezés

Általában nem érdekes a kapacitás tényleges értéke, csak a megváltozás (pl.: gyorsulásérzékelő)

Így a közös-módusú zajok elnyomhatóak

46

A kapacitás-érték „átalakítása”

A kapacitás megméréséhez elő kell állítani egy azzal (ill. annak megváltozásával) arányos jelet

Ez alapján beszélhetünk: Kapacitás-feszültség átalakításról Kapacitás-frekvencia átalakításról

47

Kapacitás-feszültség átalakítás (1)

A kapacitásra váltakozó feszültséget kapcsolunk, az áramát mérjük

Az árammal arányos feszültséget állítunk elő

48

Kapacitás-feszültség átalakítás (2)

Az áramkör transzfer karakterisztikája:

49

A zaj csökkentésének technikái (1)

A szenzorok által mért jel általában lassan változik (páratartalom, hőmérséklet, nyomás, gyorsulás)

Az ilyen jelek esetén a legfőbb gond az 1/f zaj, ami alacsony frekvencián jelentősebb, mint a termikus zaj

50

A zaj csökkentésének technikái (2)

Az 1/f zaj elnyomására több technika is létezik: Chopper-stabilizálás

Analóg módszer Diszkrét megvalósításra is alkalmas

Korrelált kétszeres mintavétel Diszkrét idejű megvalósítás A kimenete közvetlenül (szűrés nélkül digitalizálható)

51

Chopper-stabilizálás (1)

Az amplitudó-modu-láció segítségével a frekvencia-sávban vá-lasztja ketté a jelet és a zajt

Ha az elrendezésünkre váltakozó jelet adunk, és a mért jel változtatja a kondenzátorok érté-két, akkor AM jel áll elő

52

Chopper-stabilizálás (2)

53

A chopper-stabilizálás (3)

Egy lehetséges diszkrét megvalósítás

54

Korrelált kétszeres mintavétel (1)

A zajt úgy is elnyomhatjuk, ha mintát ve-szünk a zajos jelből, majd csak a zajból, és a kettő értéket kivonjuk egymásból

Feltétele: a zaj lényegesen lassabban változzon, mint a mintavételezés sebes-sége ez a módszer is az 1/f zaj elnyomá-sára jó

55

Korrelált kétszeres mintavétel (2)

Reset: az érzékelő kondenzátorok V1-re töltődnek

Zajeliminálás: a CH- és CH+ kondenzátorok a zaj értékére töltődnek (ofszet, 1/f, kapcsolók)

Érzékelés: a kimene-ten megjelenik a jel és CH-k értékének különb-sége

56

Kapacitás-frekvencia átalakítás

Egy kapacitás segítségével létrehozható rezgőkör, aminek a frekvenciája digitális módszerekkel megmérhető

Előny: könnyű illesztés egy digitális feldolgozó egység-

hez Integrálás révén zajt szűr

Hátrány: utóbbi miatt csak lassú változások-hoz alkalmazható (pl. páratartalomnál ez tel-jesül)

57

Megvalósítási lehetőségek

Ugyanaz az elv alkalmazható diszkrét és integrált formában is

Azonban a tényleges megvalósításban vannak különbségek: Diszkrét formában könnyű áramgenerátorokat

létrehozni, áramokat elektronikusan pontosan kapcsolni nehezebb

Integrált formában könnyebb egy áramot pontosan kapcsolni, mint több áramgenerátort elhelyezni

58

Az integrált megvalósításVDD

+

-

N

N

M

M

MN

C(RH)

Vref1

Vref2

I

I

sw1

sw2

sw3

sw4

Az M pont után egy digitális számlálót kapcsolva, a jel frekvenciája (vagy periódus-ideje) egy központi órajelhez képest meghatározható

59

Diszkrét megvalósítás

TUCI

f

23

60

Köszönöm a figyelmet!

Kapacitív elvű szenzorok

Documents