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

2. A páratartalom jellemzése és mérése Abszolút páratartalom (AH – absolute humidity) Telített gőznyomás Relatív páratartalom (RH – relative humidity) Harmatpont A páratartalom mérése: Harmatpontmérés Pszikrometrikus mérés Higrometrikus mérés

Az abszolút páratartalom Definíció: A levegő vízgőztartalma [kg / m3] vagy [mol / dm3] koncentráció-egységben: ahol n a vízmolekulák száma Mw a molekuláris tömeg V a térfogat

Telített gőznyomás Definíció: az a nyomás, ahol megindul a kicsapódás (a levegő nem tud több vizet felvenni): ahol a1..5 tapasztalati állandók

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

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

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

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

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

Pszikrometrikus mérés (2) A két mért érték különbségéből a relatív páratartalom számítható: ahol Ta a levegő hőmérséklete Tw a nedves felület hőmérséklete  a pszikrometrikus állandó

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

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

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

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

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.

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

Az előadás áttekintése Bevezetés A páratartalom jellemzése és mérése Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk Mikroelektronikai nedvességérzékelők Esettanulmányok

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Pórusos szilícium gyártása (1)

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

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

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

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

Az előadás áttekintése Bevezetés A páratartalom jellemzése és mérése Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk Mikroelektronikai nedvességérzékelők Kapacitív szenzorok kiolvasó elektronikái

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)

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

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

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)

Az EET-n megvalósított páraérzékeny kondenzátor (2)

Az EET-n megvalósított páraérzékeny kondenzátor (3) Az érzékelő réteg (Al2O3) kialakítása: Alumínium leválasztása vákuum-párologtatóban Anódos oxidáció révén a pórusos szerkezet kialakítása

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

Az előadás áttekintése Bevezetés A páratartalom jellemzése és mérése Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk Mikroelektronikai nedvességérzékelők Kapacitív szenzorok kiolvasó elektronikái

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

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

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

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

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

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

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)

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

Chopper-stabilizálás (2)

A chopper-stabilizálás (3) Egy lehetséges diszkrét megvalósítás

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

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

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)

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

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

Diszkrét megvalósítás

Köszönöm a figyelmet!