Micro Senzori

5/19/2018 Micro Senzori

1/24

UNIVERSITATEA TEHNICA Gheorghe Asachi IASI

FACULTATEA de MECANICA

MICROSENZORI

Romaniuc Dan

Anul II Master

Sisteme Robotizate

An univeritar 2013 - 2014


2/24

Microsenzori

Prefata

Istoric

Senzori de presiune

Senzori de accelerare

Giroscoape

Senzori chimici

Biosenzori

Miniaturizarea. De

Apreciere, Dimensiune, Greutate Utilizare eficienta a tehnologiei circuitelor integrate

Matrici de senzori

Masuratori online in loc de masuratori din laborator

ceeste un microsenzor?...

Domenii de aplicare

Industria automobilelor

Masuri ecologice si de siguranta

Aplicatii medicale

Masuratori continue a parametrilor

chimici/fizici, electrocasnice, microchirurgie

de la distanta, terapie cu ingerari minime

Electronice de consum, automatizare casnica

Ex: accelerometre din Hard Disk-uri, sensori

din camere video, controlere pt jocuri,

senzori de calitate al aerului.

Protectia mediului inconjurator Masuri de concentrare diferite

Industria de proces

Robotica


3/24

Piete de senzori

Pietele MST in 1996:

~14 miliarde $ SUA

(prognoza pt 2002: ~38

miliarde $ SUA)

. In comparatie cu cele

$ 300 miliarde pentru

pietele mondiale de

semiconductoare

Crestere de piata (prognoza

20022004) cu aproximativ

20%

Microsenzori vanduti (1996):

44% senzori de presiune (115

milioane bucati, 600

milioane dolari)

38% senzori chimici

9% accelerometre (24

milioane bucati, 240

milioane dolari)

2% giroscoape (6 milioane

bucati, 150 milioane dolari)

5% magnetorezistivi

Debit, forta, temperatura

Clasificarea Senzorilor

Tip de Semnal Masuranzi

Termic Temperatura, caldura, flux de caldura, entropie, capacitate termica etc

Radiatie Raze Gamma, Raze X, Raze ultra-violete, lumina vizibila si lumina infrarosie, micro

unde, unde radio etcMecanic Dislocare, viteza, acceleratie, forta, presiune, debit de masa, amplitudine si lungime

unda acustica

Magnetic Camp magnetic, flux, moment magnetic, magnetizare, permeabilitate magnetica, e

Chimic Umiditate, nivel pH si ionic, concentratie gazoasa, material toxice si inflamabile,

concentratie de vapori si mirosuri, poluanti, etc

Biologic Zaharuri, proteine, hormoni, antigeni etc

34%

34%

8%

3%

9%

5%2%2%

2%1%0%0%

36%

29%

11%

8%

6%

4%2%2%

1%1%0%0%

Pietele MST(milioane de dolari) pentru

tipuri de produse stabilite

1996 si 2002(prognoza)

Cap de Citire HD

Cap de scriere I

Stimulatoare ca

Diagnoza In Vitr

Aparate Auditiv

Senzori de pres

Senzori chimiciCamere infraros

Accelerometre

Giroscoape

Senzori magnet


4/24

Termeni specifici senzorilor

Senzor integrat

Senzor inteligent

Neliniaritate

Histerezis Infiltrare

Deviatie aleatoare unghiulara

Factor de scalare

Sens de inclinare

Cota zero de compensare

Sensitivitate

Senzori de presiune piezorezistivi

Masoara apasarea materialului

Caracteristici:

- Dimensiune redusa

- Linearitate buna pe o distanta dinamica intinsa

- Sensitivitate moderata la presiune mare

- Relativ independenti fata de histerezis si in filtr

Rezistori aranjati intr-o punte Wheatstone

coeficientii de temperatura se anuleaza.

Diferite tipuri de senzori: standard, diferent

absolut

Performanta senzorilor variaza simultan in functie de temperatura si presiune

Sensibilitatea piezorezistorului scade odata cu cresterea

temperaturii.

Nelinearitatea raspunsului la presiunea aplicata depinde de

locatia rezistorilor in zona solicitata si abaterea membrane.

Pe masura ce abaterea creste cu pana la 10% din grosimea

diafragmei, neliniaritatea zonei solicitate rezultante creste.


5/24

Dispozitivele proiectate corespunzator sunt capabile sa obtina

neliniaritate mai mica de 0.01% din marimea initiala.

Senzori de presiune piezorezi

Amplasamentul rezistorului:

Diafragma de silicon patrata ->

devierea rezulta sub forma de zone

de solicitare simetrica cu valorimaxime in centrul fiecarei margini

-> piezorezistorii s-au imprastiat in

acele regiuni (sensitivitate pe

intreaga punte).

Diafragma rectangulara -> zona de

solicitare variaza de la elastic la

compresiv de-a lungul unei cai de

la marginile indepartate spre

centru -> rezistorii plasati

perpendicular pe zona solicitata

(amplasamentul rezistorilor in

acest tip de sensor este mai putin

decisiv fata de dispozitivele cu

diafragma patrata).


6/24


Exemplu:

Diafragma 40 x 40 m

Si3N4 gros de 200nm + plasma-

SiN de 1 m grosime

Gravura de sacrificiu folosing

metoda KOHgauri de gravaj

(diametru de 8m) la margini sau

colturi -> stratul de polisilicon de

sacrificiu este indepartat iar sub

startul de silicon aflat sub diafragma

este gravat anisotropic prin gauri ->

cavitate piramidala ce serveste

drept camera vidata de referinta


Senzor de presiune piezorezistiva) sectiune

schematica transversal, b) microfotografie

microscop de scanarare a electronilor

4 piezorezistori de polisilicon sunt formati in diafragm

Strat de 1 m grosime de SiN depus deasupra supraf

pt a izola gaurile de gravura folosind CVD plasma

7 straturi folosite pentru fabricarea senzorului

Presiunea din interiorul cavitatii mai mica de 0.3 torr

Sensitivitate presiune de ~ 2 V/V/kPa

Nelinearitate mai mica de 1% din dimensiunea totala

Coeficientul de temperatura al sensitivitatii presiunii

0.13% /Celsius

(T: -50+150 Celsius)


7/24

Senzori de presiune capacitivi

Senzori de presiune capac

Modificarea capacitantei nu este lineara in raport cu deformarea sau presiunea (dar relatia

reproductibila)

Structura senzorului este oarecum simpla si fabricarea se poate face folosind tehnici de microprelu

conventionale

Dezavantaj: capacitanta mica (in general 1..3 pF) => circuitul de masurare trebuie sa fie integrat in ci

proiectat special astfel incat sa anuleze capacitanta reziduala

Pentru a obtine sensibilitate mare si o raza de operare mare => utilizarea unei diagrame ultrafin

protuberanta in centru.

Masoara deformarea medie

Proprietati (comparativ cu omologii

piezorezistivi):

Sensibilitate la presiune mai mare

Sensibilitate de temperature maimica

Linearitate mai mare

Necesita zona de stingere mai mare

si circuite de detectie mai sofisticate

Nu au histerezis

Stabilitate pe termen lung mai buna

Costuri de fabricare mai mari


8/24

Senzori de presiune rezonanti

Alte tipuri de senzori de presiune

Masoara frecventele de rezonanta

Rezonatorul are multiple terminatii ex: termic,

electromagnetic sau electrostatic

Frecventa sau diferenta de frecventa este

masurata

Elementul rezonant poate fi izolat in vid pentru

precizie ridicata


9/24

Senzori de presiune

Cateva tendinte de viitor:

Reducere a costului

Reducere a dimensiunii matritei

Integrare marita

Producerea senzorilor care opereaza la temperature mai mari

Extinderea diversitatii de operare a senzorilor actuali

Precizie si rezolutie imbunatatita

Ambalare imbunatatita

Senzori de acceleratie

Majoritatea (toate) accelerometrele actuale sunt

compuse dintr-o masa de rezistenta sau seismica

suportate de un cadru suspensie.

Sub influenta accelerarii, masa de rezistenta genereaza

o forta -> deplasare sau solicitare a elementului de

suspensie.

Metodele de masurare a fortei variaza, depinzand de

factori ca performanta si cost.

Senzorii produsi in masa sunt

de obicei din silicon


10/24

Accelerometre capacitive

Fabricatie:

O capsula de silicon este imprimata pe partea din spate (sau ambele parti) pentru a con

masa de rezistenta si suspensie.

Marea majoritate a acclerometrelor microprelucrate au dimensiuni de cativa milimetri pe fieparte lipirea anodica poate fi folosita pentru a forma electrozii fixi si a proteja impo

depasirilor

La senzorii microprelucrati la suprafata se utilizeaza o depunere de vapori chimici la pres

mica sau galvanizare pentru a intari si defini masa de rezistenta si suspensiile ei pe p

frontala a capsulei de silicon.

Un strat protector de spatiere, de obicei oxid LPCVD, este indepartat dupa ce memb

organica este instalata pentru a elibera structura de pe substratnu este necesara lipire ano

Senzorii au de obicei cateva sute de microni pe partile laterale, iar grosimea straturilor mec

si de spatiere fiind determinata de timpii de fixare a acestora. Performanta dispozitivului depinde in mare parte de proprietatile uniforme si mecani

straturilor depuse.

Elementele de conexiune electronica sunt de obicei integrate pe acelasi cip.

Se utilizeaza un condensator intr-o punte

capacitiva pentru a transduce caderea de

tensiune

Nu depinde de temperatura

Accelerometrele de inalta precizie pe baza de

silicon cel mai probabil vor fi capacitive

Microsenzor marginal capacitiv

Unul din cei doi electrozi reprezinta masa de

rezistenta suspendata, si se deviaza

echidistant fata de electrodul fix cand este

accelerat


11/24

Accelerometre capacitive

Accelerometre piezorezistive

Tabel:Specificatiile tipice ale accelerometrelor pentru

automotive si aplicatii de navigare inertiale

Deoarece acclerometrele microprelucrate

sunt utilizate intr-o gama variata de aplicatii,

specificatiile necesare sunt dependente de

aceste aplicatii si acopera un spectru larg, ex

Micromasurari de gravitatie: gama

de operare mai mare de 0.1g,

rezolutie mai mica de 1g, gama de

frecvente 01 Hz

Aplicatii de masurare a

impactului/balistice: gama de peste

10000g, rezolutie mai mica de 1g la

lungime de banda de 50Hz este

Avantaje principale: simplicitatea structurii si procesu

de fabricatie precum si a circuitului de citire

Dezavantaje: sensibilitate la temperaturi m

sensibilitate mica per total (in comparatie cu senz

capacitivi).

Fabricarea in masa prin microprelucrare si fixare p

saibe poate fi foarte asemanatoare cu cea de la senz

capacitivi.

Imbibare cu ulei.....

Primul accelerometru microprelucrat si

comercializat a fost piezorezistiv


12/24

Accelerometre tip balanta de forte

Accelerometre tip tunel

Se utilizeaza sensibilitatea ridicata a electronilor obtinuti prin efectul tunel.

Folositi de exemplu ca senzori acustici sensibili

Masa de rezistenta se deplaseaza datorita acceleratiei, circuitul de citire reactioneaza la schimb

curentului, ajusteaza voltajul inferior de deviere astfel incat sa mute masa de rezistenta inap

pozitia initiala, mentinand curentul de tip tunel constant.

Acceleratia se masoara citind voltajul inferior de deviere.

Introdus prima data la Laboratorul de Motoare cu Reactie, Pasadena.

Alte tipuri de accelerometre

Dispozitive termice:

Transducere termica:

- Fluxul de temperatura de la o sursa de caldura la un radiator este in

proportional cu distanta dintre acestea.

- Se masoara modificarea distantei dintre sursa de caldura si placile radiatorulu

Transfer liber a caldurii prin convective

- Bule de aer fierbinti modificate de distributia caldurii in prezenta acceleratiei

- Este identificat tipul de incalzire

Dispozitive rezonante

Optice

Electromagnetice

Piezoelectrice

Masa de rezistenta suspendata se deviaza

ca raspuns la acceleratie.

Semnalul este receptionat si emis inapoi

pentru a contracara deviatia.

Structura efectiv stationara.

Gama larga dinamica, ultrasensibila.

Utilizat cu precadere in dispozitive de navi-

gatie.

Sensibilitate capacitiva.

Aceeasi fabricatie a elementului senzorial

accelerometrele cu repetitie continua.

Sistemul de semnalizare necesita electr

sofisticata.

Reducerea costului prin integrarea in

electronice in acelasi chip cu elem

senzorial.

Dispozitive analogice : 2.5 X 2.5 mm

electronica de citire).


13/24

Accelerometre

Tendinte de viitor:

Reducerea costurilor

Stabilitate pe termen lung Sensitivitate la temperaturi mai buna

Ambalare

Circuit de interfata cu deviere scazuta a circuitului de citire/control si sensibilitate mare,

scazut al zgomotului si gama larga dinamica

Giroscoape

Elemente mecanice vibrante pentru detectia rotatiei

Lipsa partii rotative => usor de miniaturizat si fabricat folosind tehnici de microprelucrare

Procesul de microprelucrare a siliconului pentru fabricarea giroscoapelor cu vibratii se impa

patru categorii:

1. Microprelucrare in masa cu silicon si incapsulare

2. Microprelucrare la suprafata cu polisiliciu

3. Modelare eletrica a metalului si LIGA

4. Microprelucrare in masa/la suprafata combinata

Toate giroscoapele cu vibratie se bazeaza

pe transferul de energie dintre doua

moduri de vibrare a structurii cauzata de

acceleratia Coriolis

Principiul de functionare al giroscopului


14/24

Girosco

Girosco

Giroscoape cu vibratie:

Diapazoane

- Doi dinti conectati la o bara de jonctiune rezoneaza diferential la o anumita amplitud

- Cand sunt rotiti => Efect Coriolis => forta diferentiala sinusoidala se creeaza pe fi

dinte.

- Forta este detectata ca incovoierea diferentiala a dintilor diapazonului sau vi

torsionala a tijei diapazonului.

Raze vibrante

- Partea vibranta este raza (sau membrana)

Valve vibrante (inel vibrant)

Aparatele care induc rezonanta pe structurile vibrante sunt in general:

- Electrostatice- Electromagnetice

- Piezoelectrice

Aparatele de detectie folosite pentru a simti vibratia indusa de tip Coriolis sunt pentru acest caz

- Capacitive

- Piezorezistive

- Piezoelectrice

Giroscoapele pot fi clasficate in 3 categorii

diferite:

- Dispozitive grad-inertial (giroscoape

optice, giroscoape cu inel laser)

- Dispozitive grad-tactic (giroscoape c

fibra optica)

- Dispozitive grad-evaluare

Cercetarile s-au axat pe senzori cu grad de

evaluare microprelucrati din silicon (industri

automobilelor)


15/24

Girosco

Exemplul I:

Giroscoape cu inel vibrant

Exemplul II:

Giroscop Diapazon

Doua moduri identice de incovoiere

avand frecvente native egale

Inelul este vibrat electrostatic

Rotatie => Coriolis => energie trasferata

din modul principal in modul secundar

de incovoiere Rotatia monitorizata capacitiv

Sensibil si la temperaturi scazute

Gama de temperaturi de la -40 la +85

grade Celsius

Variatie nula a polarizarii < 10 grade/s

Rezolutie ~ 0.5grade/s

Desen schematic al giroscopului diapazon cu actionare prin zimti

Zimtii sunt dispusi lateral astfel inc

genereaza forte electrostatice ce

depind de pozitia laterala a masei

Fabricatie simplista

Integrare usoara cu electronica d

chip

Dimensiune giroscop 0.7 x 0.7 mm

Senzor ieftin


16/24

Microsenzori Mecanici

Producatori de microsenzori:

NovaSensor

VTI Technologies

Analog Devices

Triton Technologies

EG&G

Delco

CSEM

TEMIC (Daimler-Benz)

Bosch

Motorola

Honeywell

Sensonor Samsung

General Motors

Microsenzori Chimici

Identifica concentratia

Masurari calitative sau cantitative

~ 60% din senzori sunt senzori de gaz

Structura unui microsenzor chimic

Strutura:

- Reactie chimica in stratul sensib

si transformare in semnal electri


17/24

Microsenzori chi

Domenii de aplicabilitate:

Mediul inconjurator

Automobile

Medicina

Nutritie

Reglare de proces

Masurari de laborator

Metode coventionale:

- Obtinere de rezultate bune

- Metode de masurare complicate si scumpe

- Cantitatea de reactivi necesara

- Masurari efectuate in laborator

- Lent

Scopul este de a crea microsenzori (microsisteme) care:

- Sunt usor de fabricat

- Sunt precisi si robusti

- Folosesc o cantitate mica de reactivi

- Au timpi de raspuns mici

- Pot procesa semnalele inteligent

- Se pot grupa in matrici/retele

- Pot efectua masuratori in timp real

- Sunt biocompatibili si fara sensibilitate incrucisata

Traductoare Interdigitale

Rezistenta electrica sau variatie constanta

dielectrica a sarcinilor stratului senzorial la

interactiunea cu anumite substante

Masurare capacitiva

Raspuns (sensitivitate, selectivitate, timp de

raspuns) optimizat prin alegerea temperaturii de

lucru


18/24

Traductoare Interdigi

Pelistoare

Senzor cu incalzire pe cip

Dimensiuni cip: 14x10mm

Zona senzitiva: 4x7mm

Material substrat: sticla de cuartz

Temperatura de functionare: 380

grade Celsius

Temperatura de deviatie maxima:

mai putin de 2.8%

Puterea de incalzire: 3.5W

Strat senzitiv: NiCr/Au

Principiulpelistorului

Retea de senzorimembrane peliculare subtiri, membrana de

dimensiunea 1.25x1.25 mm, 250 grade celsius obtinute cu 100mW putere de incalzire

Granula de alumina poroasa ce

contine catalizatorul

corespunzator incapsuleaza un fi

subtire de platina ce actioneaza

atat ca element incalzitor cat si c

membrana termometrica

rezistiva ( tehnologie peliculara)

Cresterea temperaturii este

masurata (schimbarea rezistente

in montaj in punte

corespunzator)

In momentul arderii gazului ,

energie de activare specifica este

eliberata

Selectivitate redusa


19/24

Senzori optici

Structura de cuplaj prin grila

Pelicula sau fibra realizata din material

cu indice de refractie mare inserat

intre/in materialele cu index mai scazut

Reteaua optica uneste razele de lumina

(He-Ne,laser) in sistemul de

transmitere a undelor

Substanta care este analizata schimba

indicele de refractie a sistemului de

transmitere a undelor

Cantitatea de lumina care loveste

detectorul (de ex. fotodioda) este

proportionala cu densitatea substantei.

Fibre optice (interferometre)

Sistem optic de transmisieunde

Intensitatea luminii este masurata

cu foto detectoarele iar unghiul de

incidenta a luminii laser variaza de

la -6...+6 grade. Din spectrul

masurat, se determina parametrii

fizici (grosime, indice optic de

refractie, densitate) ai mediului de

acoperire.

Material ghid unda (SOL-GEL)

Si xTi(1-x)O2 , (x~0.250.05)

Pelicula ghid unda

Index de refractie(nF)=1.770.03Linie de aluncare a substratului

L=48 mm, w=16 mm, H=0.5 mm

Index de refractie(nS)~1.53Grilaj

Zona de 2x16mm, adancime ~20nmperiodicitate grilaj 2400linii/mm(0.416

m)


20/24

Senzori ISFET

Microsenzori chimici

Substanta de masurat

schimba Vgs => schimbare a

Ids=>Ids se mentine constant

(voltajul electrodului

referential reglat) => Vgs

proportional cu pH

Zona libera in afara stratului

senzitiv de cativa m

Strat senzitiv: Al2O3, Si3N4,

Ta2O5si SIO2

Procesul de fabricare

compatibil cu liniile de

productie CMOS industriale

MOSFET Normal vs. IFSET

ISFET = Tranzistor cu Efect de Cmp Selector

Ioni

MOSFET = Tranzistor cu Efect de Camp tip Me

Oxid-Semiconductor

IMEC (Siemens), IFT, MESA (Sentron), TIMA

Senzor cu cuartz rezonator

Reactia chimica in stratul

sensibil schimba masa

rezonatorului => schimbare a

frecventei rezonatorului

Frecventa masurata

Senzor din bimetal:

Reactie chimica => caldura =>

indoirea consolei de bimetal

Miscarea este masurata


21/24

Senzori SAW

SAW = Unde sonore de suprafata

Mecanismul de detectie al senzorului este o unda mecanica (sonora)

- Voltaj alternative aplicat unui traductor interdigital este transformat electromag

intr-o unda sonora

- In traductor receptor semnalul sonor este transformat inapoi in semnal electric

- Substanta analizata reactioneaza la invelisul senzitiv => transmisia undelor se mo

(viteza si/sau amplitudinea undei)- Opereaza de la 25 la 500Mhz

Sensibilitate mare, linearitate buna, stabilitate, versatilitate

Fabricare pe substraturi cum ar fi SIO2, LiTaO3, LiNbO3, (ZnO, GaAs, SiC, LGS, AIN, PZT, PVdF

Fabricare folosind proces fotolitografic

- Curatare si slefuire a substratului piezoelectric

- Metal (aluminiu) placat uniform pe substrat

- Dispozitiv imbracat in fotorezistor

- Dispozitiv expus la lumina UV printr-o masca (iar zonele expuse inlaturate cu o solut

developare)

- Materialul fotorezistor ramas este inlaturat => IDT

Performanta senzorului este optimizata prin selectarea lungimii, latimii, pozitiei si grosimii

ului.


22/24

Biosenzori

Domeniu General Exemple

Industria Sanatatii

Diagnosticare In Vitro

Diagnosticare in Vevo

Monitorizare acasa a gluc

sange

Monitorizare riscuri renaleMonitorizare Mediu Inconjura-

tor

Cererea biochimica de oxige

Industria Alimentara Prospetime peste & zaharoz

Monitorizare Bioproces Monitorizarea si c

fermentatiei

Agricultura si Industriile aferente Pesticide

Cercetare si Dezvoltare Interactiuni bimoleculare

Militar Razboi biochimic

Acelasi principiu de masurare ca la microsenzorii chimici

Structura:

- Elemente sensibile bilogic (enzime, receptori si anticorpi) integrate cu senzoru

asemenea acizii nucleici, bacterii, organisme celulare sau chiar tesuturi intre

organismelor mai dezvoltate)

- Interactiune intre straturile sensibile si molecule substantei => modularea parame

fizici sau chimici

- Modularea este convertita intr-un semnal electric (electrochimic, optic, schimbar

temperaturii sau masei sunt cele mai intalnite)

Biosenzorii sunt de doua tipuri:

1. Senzori de metabolism

2. Imuno senzori

Domeniile principale de aplicare:

Medicina

Diagnoza mediu-inconjurator

Industria alimentara

Industria de procesare

Militar

Cercetari biologice


23/24

Biosen

Masurari posibile variate selectiv si sensitiv.

Simplitate, viteza

- Receptorul si traductorul sunt integrati intr-un singur senzor

- Masurarea analitilor tinta fara utilizarea reactivilor (comparativ cu meto

conventionale unde multi pasi sunt necesari si fiecare pas poate necesita un re

pentru tratarea mostrei)

Capabilitate de monitorizare continua

- Senzorii pot regenera si reutiliza elementul biologic de recunoastere imobilizat

Senzori de metabolism

Utilizati pentru detectia moleculelor

active chimic

Enzime biosensibile ca biocatalizatori

pentru a detecta moleculele intr-o

substanta si cataliza o reactie

chimica

- Substanta analizata

transformata chimic

- Sursa reactiei detectata si

evaluata (senzor chimic)

Masurare fosfati cu sensor metabolic.


24/24

Imuno Senzori

Detecteaza moleculele inactive

chimic

Anticorpii deserversc ca elemente

biosenzitive.

Principiul cheii si incuietoarei ca meto

de detectie

- Moleculele antigen interaction

cu substanta analizata

moleculele anticorpi imobil

(incuietoare) de pe supr

senzorului se lipesc de mole

antigen (cheie) din substanta

- Numai un tip de antigen se p

lipi de un anumit tip de anticorp

Procesul de unire se poate inregistra d

(traductor) sau indirect (repere antigen

Micro Senzori

Documents

Transcript of Micro Senzori