kapacit v elv szenzorok n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Kapacitív elvű szenzorok PowerPoint Presentation
Download Presentation
Kapacitív elvű szenzorok

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 60

Kapacitív elvű szenzorok - PowerPoint PPT Presentation


  • 147 Views
  • Uploaded on

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.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Kapacitív elvű szenzorok' - violet-delaney


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
kapacit v elv szenzorok

Kapacitív elvű szenzorok

Nagy Gergely

BME EET

az el ad s ttekint se
Az előadás áttekintése
  • Bevezetés
  • A páratartalom jellemzése és mérése
  • Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk
  • Mikroelektronikai nedvességérzékelők
  • Kapacitív szenzorok kiolvasó elektronikái
1 bevezet s
1. Bevezetés
  • A páratartalom mérésének jelentősége:
    • Ipari felhasználás:
      • Kerámia-üzem
      • Műtárgyak tárolása
    • „Emberi” felhasználás:
      • Légkondicionáló berendezések
      • Idős-ellátás automatizálása (ambient intelligence)
2 a p ratartalom jellemz se s m r se
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
az abszol t p ratartalom
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
tel tett g znyom s
Telített gőznyomás

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

ahol a1..5 tapasztalati állandók

relat v p ratartalom
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
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 p ratartalom m r se
A páratartalom mérése
  • Az elterjedt mérési elvek:
    • Harmatpontmérés
    • Pszikrometrikus mérés
    • Higrometrikus mérés
harmatpontm r s
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 m r s 1
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 m r s 2
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 m r s 3
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 m r s 1
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 m r s 2
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 m r s 3
Higrometrikus mérés (3)
  • A mechanikai érzékelők hátránya:
    • Kis szelektivitás
    • Nyomásérzékenység
higrometrikus m r s 4
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 m r s 5
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 el ad s ttekint se1
Az előadás áttekintése
  • Bevezetés
  • A páratartalom jellemzése és mérése
  • Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk
  • Mikroelektronikai nedvességérzékelők
  • Esettanulmányok
3 p rusos anyagok tulajdons gai s el ll t suk
3. Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk

A pórusos anyagok körülvesznek minket:

  • Aktív szén (szűrő, gyógyszer)
  • Ytong – ALC könnyű cement tégla
p rusos anyagok csoportos t sa
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
p rusos anyagok felhaszn l si ter letei
Pórusos anyagok felhasználási területei
  • A csoportosítás oka: a pórusméret határoz meg sok anyagi paramétert, és így a felhasználás lehetőségeit is
p rusm ret hat sa az anyagi param terekre
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 s molekula p rusok szint zise 1
Atom és molekula pórusok szintézise (1)
  • Ezek a mikropórusos anyagok
  • Tipikus képvielőjük: zeolit
  • A pórusok kb. akkorák, mint a molekulák (kb. 1nm) – 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 s molekula p rusok szint zise 2
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
molekulaaggreg tum p rusok szint zise
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
folyad kf zi p rusos anyagok
Folyadékfáziú pórusos anyagok
  • A mezopórusos anyagok 2. csoportja
  • Nem ők folyadékfázisúak, hanem a pórusba bejutó anyag viselkedik folyadékként
t rbeli p rusos anyagok
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
p rusos szil cium
Pórusos szilícium
  • Jól szabályozhatóak az anyagi tulajdonságai
  • Szerkezeti anyagként és feláldozandó réteg-ként is használják
  • Előállítása: Si elektrokémiai marása tömény HF-ban
p rusos szil cium gy rt sa 2
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
p rusos szil cium gy rt sa 3
Pórusos szilícium gyártása (3)
  • A p-típusú pórusos szilícium gyártása:
p rusos szil cium gy rt sa 4
Pórusos szilícium gyártása (4)
  • Az n-típusú pórusos szilícium gyártása:
p rusos szil cium gy rt sa 5
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 el ad s ttekint se2
Az előadás áttekintése
  • Bevezetés
  • A páratartalom jellemzése és mérése
  • Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk
  • Mikroelektronikai nedvességérzékelők
  • Kapacitív szenzorok kiolvasó elektronikái
mikroelektronikai p ra rz kel k t pusai 1
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 p ra rz kel k t pusai 2
Mikroelektronikai páraérzékelők típusai (2)
  • Kapacitív ~:
    • A dielektrikus tulajdonságok változnak meg a páratartalom hatására
    • Előnyük:
      • Nagy felbontás
      • Kis zaj
      • Kis fogyasztás
      • Kis hőfüggés
mikroelektronikai p ra rz kel k t pusai 3
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 megval s tott p ra rz keny kondenz tor 1
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 megval s tott p ra rz keny kondenz tor 3
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 megval s tott p ra rz keny kondenz tor 4
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 el ad s ttekint se3
Az előadás áttekintése
  • Bevezetés
  • A páratartalom jellemzése és mérése
  • Pórusos anyagok tulajdonságai és előállításuk
  • Mikroelektronikai nedvességérzékelők
  • Kapacitív szenzorok kiolvasó elektronikái
a kapacit v szenzorok el nyei
A kapacitív szenzorok előnyei
  • Kis fogyasztás
  • Kisebb zajérzékenység
  • Kis hőfüggés
  • Nagy felbontás
  • Kompatibilitás a legtöbb elterjedt gyártástech-nológiával
a differenci lis elrendez s
A differenciális elrendezés
  • Általában nem érdekes a kapacitás tényleges értéke, csak a megváltozás (pl.: gyorsulásérzékelő)
  • Így a közös-módusú zajok elnyomhatóak
a kapacit s rt k talak t sa
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
kapacit s fesz lts g talak t s 1
Kapacitás-feszültség átalakítás (1)
  • A kapacitásra váltakozó feszültséget kapcsolunk, az áramát mérjük
  • Az árammal arányos feszültséget állítunk elő
kapacit s fesz lts g talak t s 2
Kapacitás-feszültség átalakítás (2)

Az áramkör transzfer karakterisztikája:

a zaj cs kkent s nek technik i 1
A zaj csökkentésének technikái (1)
  • A szenzorok által mért jel általában lassanváltozik (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 cs kkent s nek technik i 2
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 stabiliz l s 1
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
a chopper stabiliz l s 3
A chopper-stabilizálás (3)
  • Egy lehetséges diszkrét megvalósítás
korrel lt k tszeres mintav tel 1
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 lassabbanváltozzon, mint a mintavételezéssebes-sége  ez a módszer is az 1/f zaj elnyomá-sára jó
korrel lt k tszeres mintav tel 2
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
kapacit s frekvencia talak t s
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)
megval s t si lehet s gek
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 integr lt megval s t s
Az integrált megvalósítás

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