Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Kapacitív elvű szenzorok

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Kapacitív elvű szenzorok"— Előadás másolata:

1 Kapacitív elvű szenzorok
Nagy Gergely BME EET

2 Az előadás áttekintése
Bevezetés A páratartalom jellemzése és mérése Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk Mikroelektronikai nedvességérzékelők 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
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: 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): 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: 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: 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

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

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
Bevezetés A páratartalom jellemzése és mérése Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk Mikroelektronikai nedvességérzékelők 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 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 Pórusos szilícium gyártása (3)
A p-típusú pórusos szilícium gyártása:

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

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
Bevezetés A páratartalom jellemzése és mérése Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk Mikroelektronikai nedvességérzékelők 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)

40 Az EET-n megvalósított páraérzékeny kondenzátor (2)

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
Bevezetés A páratartalom jellemzése és mérése Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk Mikroelektronikai nedvességérzékelők 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

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

59 Diszkrét megvalósítás

60 Köszönöm a figyelmet!


Letölteni ppt "Kapacitív elvű szenzorok"

Hasonló előadás


Google Hirdetések