WYKŁAD 8 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Transkrypt

1 Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 8 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

2 Czujnik pomiarowy definicje Czujniki temperatury Termopary RTD (Resistive Temperature Sensor) Termistory Przykłady zastosowań grubowarstwowych czujników temperatury: - termogeneratory - czujniki przepływu gazu i cieczy - czujniki gazu - mikroreaktory Czujniki ciśnienia - piezorezystancyjne - pojemnościowe - rezonansowe

4 Terminologia Elektryczny czujnik pomiarowy (sensor) element, który jednoznacznie odwzorowuje sygnał fizyczny lub chemiczny x określony w zbiorze wartości X na sygnał elektryczny y w zbiorze Y sygnał fizyczny lub chemiczny x y = f(x) sygnał elektryczny y x X y X

5 Terminologia - czułość Czułość pomiarowa czujnika S x S x = df/dx x X

6 Terminologia czułość Wykres czułości dla czujnika idealnego (linia ciągła) i rzeczywistego (linia przerywana) J. Gardner

7 Terminologia czas odpowiedzi stan ustalony odpowiedź czujnika czas Czas odpowiedzi - czas po upływie którego czujnik osiąga określoną część odpowiedzi (np. 90%). J. Gardner

8 Terminologia granica wykrywalności (LOD) granica oznaczalności (LOQ) Ślepa próba 3s Analit 10s LOQ E. Topic i in., 2014

9 Podział czujników: Technologia: - konwencjonalna - grubowarstwowa - cienkowarstwowa - półprzewodnikowa Przetwarzanie sygnału Zjawiska wykorzystywane do przetwarzania sygnału: - piezoelektryczne - piezorezystywne - magnetorezystancyjne - piroelektryczne - termoelektryczne elektroniczne - optyczne Ważne parametry: Synał wejściowy: - fizyczny - chemiczny - biological (biosensor) Konwersja energii: - czujniki generacyjne - czujniki parametryczne - czułość - selektywność - stabilność (powtarzalność) - zabezpieczenie przed wpływem otoczenia - kompatybilność systemu - koszt Problemy: - nieliniowość - dryft w czasie - kalibracja

10 Klasyfikacja - technologia - Konwencjonalna - grubowarstwowa rakla pasta sito rama emulsja podłoże - cienkowarstwowa TEWA - półprzewodnikowa

11 Klasyfikacja - sygnał wejściowy - Fizyczny (temperatura, przepływ gazu i cieczy, ciśnienie, siła, odległość, przepływ ciepła, promieniowanie, poziom cieczy, przyspieszenie... ) ciśnienie przepływ gazu - chemiczny (wilgotność, ph, koncentracja jonów, koncentracja gazu,...) - biologiczny (biosensor) koncentracja gazu pomiar glukozy

12 Klasyfikacja Przetwarzanie sygnału - elektroniczne - optyczne Konwersja energii: - czujniki generacyjne (przetwarzają energię dostarczoną przez obiekt na sygnał elektryczny napięcia lub prądu) termopara - czujniki parametryczne (wymagają dostarczenia energii z zewnątrz -> zmiana mierzonego parametru elektrycznego) czujnik ciśnienia

13 Klasyfikacja Zjawiska wykorzystywane do przetwarzania sygnału: - piezoelektryczne - piezorezystywne - magnetorezystancyjne - piroelektryczne - termoelektryczne -...

14 Efekt piezoelektryczny Zjawisko piezoelektryczne - powstawanie wypadkowego momentu elektrycznego w niektórych kryształach dielektrycznych pod wpływem ściskania lub rozciągania wzdłuż jednej z osi krystalograficznych; kryształy takie nazywa się piezoelektrykami. W wyniku mechanicznych odkształceń płytki płasko-równoległej o określonej orientacji krystalograficznej, wyciętej z kryształu piezoelektrycznego, następuje deformacja powłok elektronowych i względne przemieszczenia atomów i jonów w krysztale, co prowadzi do powstania różnoimiennych ładunków elektrycznych na przeciwległych ściankach płytki (proste zjawisko piezoelektryczne), podobnie deformacja powłok elektronowych i względne przemieszczenia atomów i jonów pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego prowadzą do mechanicznego odkształcenia płytki, zależnego od natężenia pola elektrycznego (odwrotne zjawisko piezoelektryczne). Encyklopedia PWN Proste zjawisko piezoelektryczne Odwrotne zjawisko piezoelektryczne

15 Efekt piezorezystywny Efekt piezorezystywny polega na zmianie rezystancji elektrycznej materiału pod wpływem działającej siły mechanicznej (odkształcenie rezystora). Efekt piezorezystywny różni się od efektu piezoelektrycznego tym, że występuje jedynie zmiana rezystancji, nie powstaje żadna siła elektromotoryczna (SEM). R/R l/l

16 Efekt magnetorezystancyjny Efekt termoelektryczny Efekt magnetorezystancyjny - zjawisko polegające na zmianie rezystancji pod wpływem pola magnetycznego. Efekt termoelektryczny zjawisko Seebecka polega na powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie zawierającym dwa metale lub półprzewodniki gdy ich złącza znajdują się w różnych temperaturach. Odkryte w roku 1821 przez fizyka niemieckiego (pochodzenia estońskiego) Seebecka. Zjawisko to jest wykorzystywane m.in. w termoparze.

17 Czujnik pomiarowy Czujniki wielkości fizycznych: - temperatury - ciśnienia - siły - odległości - prędkości przepływu gazu i cieczy - przepływu ciepła - promieniowania - poziomu cieczy - przyspieszenia - nachylenia -... Czujniki wielkości chemicznych i biologicznych: - wilgotności - ph Czujniki grubowarstwowe i LTCC zalety, wady - koncentracji jonów - koncentracji gazu - glukozy -... Zalety: - prosta i tania technologia, - niski koszt i krótki czas opracowania, - możliwość scalania czujników, - odporność na wpływ otoczenia, - układy zintegrowane (czujnik, przetwornik, elektronika), - mikrosystemy LTCC. Wady: - wymiary, - brak elementów czynnych, -...

18 LTCC czujniki i przetworniki czujniki temperatury czujniki ciśnienia czujniki gazu układy grzejne układy chłodzące czujniki przepływu czujniki odległości mikrozawory mikropompy

20 Ciepło - wielkości Q = m c T Q ilość ciepła [J] T temperatura absolutna [K] m masa [kg] c pojemność cieplna na j. masy [J/(kg K)] dq/dt - szybkość przepływu ciepła dq/dt = - k A dt/dx = - k A T R T = L/(k A) A pole przekroju k - przewodność cieplna L długość, R T - oporność cieplna

21 Klasyfikacja czujników temperatury ELEKTRYCZNE GENERACYJNE PARAMETRYCZNE TERMOPARY TERMISTORY TERMOREZYSTORY TERMODIODY TERMOTRANZYSTORY NIEELEKTRYCZNE GENERACYJNE PARAMETRYCZNE TERMOMETRY WSKAŹNIKI ŚWIATŁOWODY SAW J. Gardner

22 Zakres i rozdzielczość różnych czujników temperatury Czujnik Zakres [K] Typ Rozdzielczość [K] Mikroczujniki RTD Ge 1,5 100 laboratoryjny 0,0001 RTD C 1,5 100 laboratoryjny 0,001 RTD Pt wzorcowy 0,00001 Termistor laboratoryjny 0,001 Złącze Si p-n laboratoryjny 0,1 Termopara ogólny 1 Cz. radiacyjny przemysłowy 2 Tradycyjne Termometry gazowe 1, laboratoryjny 0,002 Termometry cieczowe ogólny 0,1 Termometry bimetaliczne przemysłowy 1 to 2 J. Gardner

23 Grubowarstwowe czujniki temperatury Termopary RTD rezystory termometryczne Termistory Zastosowanie czujników temperatury: - czujnik przepływu ciepła - czujnik przepływu gazu lub cieczy - grzejniki i czujniki temperatury - pomiar temperatury wewnątrz struktury - pomiar mocy promieniowania słonecznego - czujnik mocy lasera -...

25 Termopary Efekt Seebecka (1821) T A e BA e AB B e siła elektromotoryczna (V) U 0 napięcie kontaktowe (V) T, T 0 temperatura złączy materiałów A i B (K) α AB współczynnik Seebecka obwodu (V/K) T 0 Prosty obwód termoelektryczny E T siła termoelektryczna (V) α A współczynnik Seebecka mat. A α B współczynnik Seebecka mat. B dla metali/stopów kilka-kilkanaście (mv/k) dla półprzewodników do kilkuset (mv/k)

26 Termopary Siły termoelektryczne różnych metali i stopów względem Pt w temperaturze 100 o C, przy temperaturze odniesienia 0 o C Metal Siła termoelektryczna (mv) Metal Siła termoelektryczna (mv) Nikiel -1,48 Srebro +0,74 Kobalt -1,33 Cynk +0,76 Pallad -0,57 Miedź +0,76 Platyna 0 Złoto +0,78 Aluminium +0,42 Wolfram +1,12 Ołów +0,44 Molibden +1,45 Platynorod (90% Pt, 10% Rh) +0,645 Żelazo +1,98 Iryd +0,65 Nikielchrom (90% Ni, 10%Cr) Rod +0,70 +2,81

27 Termopary grubowarstwowe Czujnik temperatury Termopara PdAg/TSG na LTCC Markowski et al., Konf. IMAPS PL 2004

29 Rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) Rezystancja przewodnika metalicznego rośnie wraz z temperaturą r(t) rezystywność w temperaturze T (Wm) r 0 rezystywność w temperaturze odniesienia T 0 (Wm) a - temperaturowy wsp. rezystywności Materiały używane do produkcji RTD platyna miedź nikiel wolfram złoto, srebro R(T)/R 0 Temperatura ( o C)

30 Rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) Temperaturowy wsp. rezystancji (TWR) 4 Pt PdAg PtAu R/R Pt (lity) TWR = 3920 ppm/k Pt TWR = 2500 ppm/k PdAg TWR = 430 ppm/k PtAu TWR = 380 ppm/k Temperatura [ C] Kita, PhD dissertation 2003

31 Termistory grubowarstwowe PTC

33 Termistor NTC gdzie: R To, To - stałe T - temperatura [K] B - stała materiałowa Planarny Grzebieniowy od -4 do -6 %/K Warstwa termistorowa Elektroda Kanapkowy (sandwich) Przykłady konstrukcji termistorów grubowarstwowych

34 Termistory NTC R = A exp (B/T) A stała rezystancyjna B stała materiałowa tlenki Mn, Co, Ni...

35 Termistory grubowarstwowe NTC

37 Termopary grubowarstwowe Generator termoelektryczny (termostos) n a T P MAX 4R 2 P MAX generowana moc elektryczna n liczba termopar α współczynnik Seebecka ΔT różnica temperatury między złączami R rezystancja termostosu Topologia kanapkowa P. Markowski

38 Termopary grubowarstwowe Generator termoelektryczny (termostos) 252 termopary 37 x 21 x 3 mm 3 U wy = 260 mv P wy = 220 mw ΔT = 55 C Podłoże: ceramika LTCC (DP951) T Ramiona termopar: Ag / PdAg P. Markowski

39 Termopary grubowarstwowe Generator termoelektryczny (termostos) Termostos Ag fotodef /Ni 29 termopar Szerokość ramion: Ni 250 μm Ag 90 μm P. Markowski

41 Czujnik przepływu gazu warstwa1 warstwa 2 warstwa 3 warstwa 4 warstwa 5 przekrój A-A Gongora Rubio M.R. et al., Sens. & Act. 2001

42 Czujnik przepływu gazu Gongora Rubio M.R. et al., Sens. & Act. 2001

43 Czujnik przepływu gazu D.Jurków, H.Roguszczak

44 Czujnik prędkości przepływu cieczy Prototyp czujnika Profil temperatury wzdłuż rury czujnika dla prędkości przepływu v=0 i v=3 mm/min W. Smetana, Konf. IMAPS PL 2005

46 Czujnik gazu Grzejnik/Czujnik temperatury o C/mm temperatura [ o C] długość [mm] J. Kita, H. Teterycz

47 Rezystancja (W) Temperatura ( o C) Czujnik gazu Grzejnik/Czujnik temperatury o C/mm temperatura [ o C] długość [mm] 2800 ppm/ o C Temperatura ( o C) Rezystancja grzejnika/czujnika w funkcji temperatury Moc (W) Temperatura czujnika w funkcji mocy dostarczanej do grzejnika J. Kita, H. Teterycz

49 Mikrorektor enzymatyczny Mikrokanały wygrawerowane w ceramice LTCC (zdjęcie SEM) Mikroreaktor enzymatyczny wykonany w ceramice DP951 oraz CeramTec GC Mikroreaktor enzymatyczny (zdjęcie z tomografu rentgenowskiego)

50 Rezystancja (W) Mikrorektor enzymatyczny Czujnik temperatury Największa wydajność dla T = 37 o C CO(NH 2 ) H 2 O ureaza CO 2 + 2NH OH ppm/ o C 0,16 W/ o C Rozkład temperatury na powierzchni mikroreaktora (kamera IR) Temperatura ( o C)

51 Układ PCR (Polymerase Chain Reaction - Łańcuchowa Reakcja Polimerazy)

52 Układ PCR (Polymerase Chain Reaction - Łańcuchowa Reakcja Polimerazy) Krzysztof Budniewski praca magisterska 2004

54 Czujnik ciśnienia Pomiar względem ciśnienia otoczenia Relative pressure-redundant Pomiar względem próżni Pomiar różnicowy Partsch, Arndt, Georgi, 1st MacroNano Coll. on LTCC RF and Microsystem Int., Ilmenau 2006

56 Roguszczak and Golonka, COE 2000 Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia 8 7 Poszczególne warstwy LTCC tworzące piezorezystancyjny czujnik ciśnienia

57 Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia Santo Zarnik et al., 2012 Partsch et al., 2007 Maeder et al., 2010

59 Pojemnościowy czujnik ciśnienia Zasada działania Membrana Elektroda 2 Elektroda 1 Wlot gazu Ciśnienie Belavic et al., 2007

60 Pojemnościowy czujnik ciśnienia Wlot gazu Membrana Elektrody Wnęka Pojemnościowy czujnik ciśnienia wykonany techniką LTCC Belavic et al., 2009

62 Rezonansowy czujnik ciśnienia Widok z góry LTCC Materiał piezoelektryczny z naniesionymi elektrodami Membrana Membrana Materiał piezoelektryczny z naniesionymi elektrodami Wnęka Y - moduł Younga (MPa) r - gęstość (kg/m 3 ) v - współczynnik Poissona t - grubość membrany (m) R - promień membrany (m) LTCC Belavic et al., 2015

63 Rezonansowy czujnik ciśnienia Rezonansowy czujnik ciśnienia wykonany techniką LTCC Belavic et al., 2015

64 Rezonansowy czujnik ciśnienia (bezprzewodowy) Zasada działania Lin et al., 2018

65 Rezonansowy czujnik ciśnienia (bezprzewodowy) Pomiar Charakterystyka odbiciowa czujnika ciśnienia Bezprzewodowy rezonansowy czujnik ciśnienia wykonany techniką LTCC Lin et al., 2018

66 Rezonansowy czujnik ciśnienia (bezprzewodowy) Wpływ grubości membrany Lin et al., 2018 Charakterystyki odbiciowe czujnika ciśnienia dla różnej grubości membrany

67 Rezonansowy czujnik ciśnienia (bezprzewodowy) Wpływ grubości membrany Ciśnienie (kpa) Lin et al., 2018

68 Czujnik cieśnienia Wpływ grubości membrany czułość grubość membrany średnica membrany (4.5 mm) pomiar symulacja Ciśnienie (kpa) Lin et al., 2018 Partsch et al., 2007

69 Czujnik cieśnienia Wpływ materiału membrany Materiał Czułość Al 2 O 3 13 LTCC 38 ZrO 2 19 DOS (stal pokryta dielektrykiem) 13 Belavic et al., CICMT 2007