Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Kapacitív elvű szenzorok Nagy Gergely BME EET. 2 Az előadás áttekintése 1) Bevezetés 2) A páratartalom jellemzése és mérése 3) Pórusos anyagok tulajdonságai.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Kapacitív elvű szenzorok Nagy Gergely BME EET. 2 Az előadás áttekintése 1) Bevezetés 2) A páratartalom jellemzése és mérése 3) Pórusos anyagok tulajdonságai."— Előadás másolata:

1 Kapacitív elvű szenzorok Nagy Gergely BME EET

2 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 3 1. Bevezetés  A páratartalom mérésének jelentősége:  Ipari felhasználás:  Kerámia-üzem  Műtárgyak tárolása  „Emberi” felhasználás:  Légkondicionáló berendezések  Idős-ellátás automatizálása (ambient intelligence)

4 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 5 Az abszolút páratartalom Definíció: A levegő vízgőztartalma [kg / m 3 ] vagy [mol / dm 3 ] koncentráció-egységben: ahol •n a vízmolekulák száma •M w a molekuláris tömeg •V a térfogat

6 6 Telített gőznyomás Definíció: az a nyomás, ahol megindul a kicsapódás (a levegő nem tud több vizet felvenni): ahol a 1..5 tapasztalati állandók

7 7 Relatív páratartalom  „Emberközelibb” mértékegység – összhangban van a szubjektív nyirkosságérzetünkkel  Definíció: a levegőben oldott vízgőz mennyisége a maximálisan oldható vízmennyiség százalékában kifejezve: ahol P w a részleges vízgőz nyomás, P s pedig az adott hőmérséklethez tartozó telítési nyomás

8 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 9 A páratartalom mérése  Az elterjedt mérési elvek:  Harmatpontmérés  Pszikrometrikus mérés  Higrometrikus mérés

10 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 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 12 Pszikrometrikus mérés (2)  A két mért érték különbségéből a relatív páratartalom számítható: ahol •T a a levegő hőmérséklete •T w a nedves felület hőmérséklete •  a pszikrometrikus állandó

13 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 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 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

16 16 Higrometrikus mérés (3)  A mechanikai érzékelők hátránya:  Kis szelektivitás  Nyomásérzékenység

17 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 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 19 Az előadás áttekintése 1) Bevezetés 2) A páratartalom jellemzése és mérése 3) Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk 4) Mikroelektronikai nedvességérzékelők 5) Esettanulmányok

20 20 3. Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk A pórusos anyagok körülvesznek minket:  Aktív szén (szűrő, gyógyszer)  Ytong – ALC könnyű cement tégla

21 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 22 Pórusos anyagok felhasználási területei  A csoportosítás oka: a pórusméret határoz meg sok anyagi paramétert, és így a felhasználás lehetőségeit is

23 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 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 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 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 27 Folyadékfáziú pórusos anyagok  A mezopórusos anyagok 2. csoportja  Nem ők folyadékfázisúak, hanem a pórusba bejutó anyag viselkedik folyadékként

28 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 29 Pórusos szilícium  Jól szabályozhatóak az anyagi tulajdonságai  Szerkezeti anyagként és feláldozandó réteg- ként is használják  Előállítása: Si elektrokémiai marása tömény HF- ban

30 30 Pórusos szilícium gyártása (1)

31 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

32 32 Pórusos szilícium gyártása (3)  A p-típusú pórusos szilícium gyártása:

33 33 Pórusos szilícium gyártása (4)  Az n-típusú pórusos szilícium gyártása:

34 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 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 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.: TiO 2 -V 2 O 5, ZrO 2 -MgO)  Érzékenység jó: 10 – 90%  Beállási idő: nagyon lassú (akár néhány perc)

37 37 Mikroelektronikai páraérzékelők típusai (2)  Kapacitív ~:  A dielektrikus tulajdonságok változnak meg a páratartalom hatására  Előnyük:  Nagy felbontás  Kis zaj  Kis fogyasztás  Kis hőfüggés

38 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 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 Al 2 O 3  Felső fegyverzet is pórusos, hogy a dielektri- kumot elérje a nedvesség (pórusos palládium)

40 40 Az EET-n megvalósított páraérzékeny kondenzátor (2)

41 41 Az EET-n megvalósított páraérzékeny kondenzátor (3)  Az érzékelő réteg (Al 2 O 3 ) kialakítása:  Alumínium leválasztása vákuum-párologtatóban  Anódos oxidáció révén a pórusos szerkezet kialakítása

42 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 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 44 A kapacitív szenzorok előnyei  Kis fogyasztás  Kisebb zajérzékenység  Kis hőfüggés  Nagy felbontás  Kompatibilitás a legtöbb elterjedt gyártástech- nológiával

45 45 A differenciális elrendezés  Általában nem érdekes a kapacitás tényleges értéke, csak a megváltozás (pl.: gyorsulásérzékelő)  Így a közös-módusú zajok elnyomhatóak

46 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 47 Kapacitás-feszültség átalakítás (1)  A kapacitásra váltakozó feszültséget kapcsolunk, az áramát mérjük  Az árammal arányos feszültséget állítunk elő

48 48 Kapacitás-feszültség átalakítás (2) Az áramkör transzfer karakterisztikája:

49 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 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 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 52 Chopper-stabilizálás (2)

53 53 A chopper-stabilizálás (3)  Egy lehetséges diszkrét megvalósítás

54 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 55 Korrelált kétszeres mintavétel (2)  Reset: az érzékelő kondenzátorok V1-re töltődnek  Zajeliminálás: a C H- és C H+ kondenzátorok a zaj értékére töltődnek (ofszet, 1/f, kapcsolók)  Érzékelés: a kimene- ten megjelenik a jel és C H -k értékének különb- sége

56 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 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 58 Az integrált megvalósítás Az M pont után egy digitális számlálót kapcsolva, a jel frekvenciája (vagy periódus- ideje) egy központi órajelhez képest meghatározható

59 59 Diszkrét megvalósítás

60 60 Köszönöm a figyelmet!


Letölteni ppt "Kapacitív elvű szenzorok Nagy Gergely BME EET. 2 Az előadás áttekintése 1) Bevezetés 2) A páratartalom jellemzése és mérése 3) Pórusos anyagok tulajdonságai."

Hasonló előadás


Google Hirdetések