Upload
violet-delaney
View
102
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Kapacitív elvű szenzorok. Nagy Gergely BME EET. Az előadás áttekintése. Bevezetés A páratartalom jellemzése és mérése Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk Mikroelektronikai nedvességérzékelők Kapacitív szenzorok kiolvasó elektronikái. 1. Bevezetés. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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
Pszikrometrikus mérés (2)
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
Pszikrometrikus mérés (3)
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
Higrometrikus mérés (2)
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
17
Higrometrikus mérés (4)
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
Higrometrikus mérés (5)
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
Az előadás áttekintése
1) Bevezetés
2) A páratartalom jellemzése és mérése
3) Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk
4) Mikroelektronikai nedvességérzékelők
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
31
Pórusos szilícium gyártása (2)
A pórusos szilícium előállításánál az anyagi paraméterek függnek: az elektródokra kapcsolt feszültségtől az áramsűrűségtől az adalékolás típusától n-adalékolás esetén a megvilágítástól
34
Pórusos szilícium gyártása (5)
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
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
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
Mikroelektronikai páraérzékelők típusai (2)
Kapacitív ~: A dielektrikus tulajdonságok változnak meg a
páratartalom hatására Előnyük:
Nagy felbontás Kis zaj Kis fogyasztás Kis hőfüggés
38
Mikroelektronikai páraérzékelők típusai (3)
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)
41
Az EET-n megvalósított páraérzékeny kondenzátor (3)
Az érzékelő réteg (Al2O3) kialakítása: Alumínium leválasztása vákuum-párologtatóban Anódos oxidáció révén a pórusos szerkezet kialakítása
42
Az EET-n megvalósított páraérzékeny kondenzátor (4)
A felső elektróda (Pd) előállítása: Katódporlasztással történt a leválasztás Mintázat kialakítása gond, mert félő, hogy a fotoreziszt
bejut a pórusokba lift-off technológia
43
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
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
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
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