Kapacitív elvű szenzorok

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 • 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: • 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. 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

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 lassanváltozik (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)