Noi tipuri de senzori si traductoarePrezentare general

Evoluia din ultimul timp a electronicii i a circuitelor integrate a oferit noi posibiliti pentru multe aplicaii practice i a condus la noi descoperiri n domeniul senzorilor. Au aprut noi materiale i noi principii de realizare, Senzorii devin din ce n ce mai performani, Condiionerul i senzorul sunt integrai mpreun n aceeai component, Dimensiunile miniaturale au devenit ceva obinuit. n asociere cu un DSP specific i adesea cu un servomecanism, se obine un traductor inteligent ce poate fi utilizat direct n sistemele distribuite de msurare.

Direciile principale de dezvoltare n domeniul senzorilor sunt urmtoarele:mrirea preciziei, a fineei senzorilor i a interanjabilitii acestora; au aprut noi semiconductoare, aliaje speciale, ceramici i polimeri, principii noi pentru senzori prin folosirea tehnologiilor straturilor subiri sau a straturilor groase i n general tehnicile microelectronicii i ale optoelectronicii, se folosete microinformatica utilizndu-se toate resursele moderne de procesare a semnalelor, pentru a concepe noi senzori, se utilizeaz posibilitile oferite de calculator: proiectare asistat, modelarea i simularea prealabil; noile domenii de investigare tiinific i de dezvoltare tehnologic creeaz noi necesiti n special n medicin, n protecia mediului, n domeniul automobilelor, al biochimiei i al chimiei organice finedomeniul microelecronicii nsui necesit pentru dezvoltarea proprie, mijloace de control din ce n ce mai sofisticateimplementarea de reele industriale impune dezvoltarea traductoarelor inteligente a cror interoperabilitate i mentenabilitate sunt mult sporite

Se pot distinge cteva tehnologii noi utilizate pentru realizarea de noi senzori:senzori ce utilizeaz tehnologia siliciului microprelucrat;tehnologia senzorilor cu straturi subiri (thin-film);tehnologia senzorilor bazai pe straturi groase (thick-film);tehnologia senzorilor cu fibre optice.

1. Microtraductoare bazate pe tehnologia siliciuluiExploatarea masiv a tehnicilor microelectronicii permite realizarea pe o bucat de siliciu a unor senzori noi, de dimensiuni foarte mici, ce pot fi realizai n serie mare, n producie de mas, la un pre sczut, cu caracteristici reproductibile. Permit integrarea pe acelai cristal a circuitelor electronice necesare,Proprietile mecanice ale siliciului (Si) sunt foarte favorabile. El are:o rezisten la efort mai mare ca oelul (7.109N/m2 fa de 4.109N/m2) modul de elasticitate foarte asemntor (1,9.1011N/cm2 fa de 2,1.1011N/cm2) densitatea mai mic dect aluminiu (2,3g/cm3 fa de 2,7g/cm3) conductivitate termic mai ridicat dect a oelului (1,57W/cmoC fa de 0,97W /cmoC). Aceste tehnologii permit integrarea unor funcii noi, care astfel ar necesita circuite electronice anexe. Procedeele tehnologice utilizate pentru microprelucrarea siliciului, ca nanolitografierea sau depunerea de straturi de Si anizotrop pe cristal, permit realizarea de dimensiuni spaiale de ordinul a 0,011m.

1.1. Accelerometru integrat n siliciu

Se compune dintr-o lam de grosime 515m decupat de substratul de Si i ncastrat la un singur capt. La cellalt capt al lamei exist o mas seismic de 200 m lime, mai mare ca lama, care constituie elementul sensibil la vibraii. Se poate aduga, prin depunere, un strat de aur sau alt element greu pentru a schimba masa vibrant. Vibraia acestei mase poate fi detectat cu un element sensibil piezorezistiv, capacitiv sau optic. Frecvena de rezonan a unui astfel de senzor este de cteva sute de Hz. Gama uzual de msurare poate fi modificat n limite largi schimbnd dimensiunile i masa vibrant ntre 5g i 100 g (g - acceleraia gravitaional).

Fig.1. Traductor de acceleraie integrat pe un cip de Si.a) vedere de sus, b) seciune transversal

1.2. Senzori de temperatur ce utilizeaz siliciul.Se cunosc dou tipuri de senzori de temperatur ce utilizeaz ca material siliciul:senzori termorezistivi,senzori cu jonciune.a)Senzori termorezistivi cu Si. Ei utilizeaz dependena de temperatur a circulaiei purttorilor de sarcin. Rezistena spaial dintre un electrod cu diametrul d

Se utilizeaz de obicei siliciu de tip n de dimensiuni sub 1-2 mm pentru substrat, grosimea fiind de ordinul 200 m. Rezistena nominal este n gama 1 5 k ceea ce constituie un mare avantaj fa de termorezistenele metalice la conectarea la distan (conexiune cu 2 fire).

Fig.2. Dependena de temperatur a unui senzor rezistiv cu siliciu.

Pentru eliminarea nesimetriilor de contact la electrozi se utilizeaz de obicei o construcie simetric cu doi electrozi ca n Fig. 3

Senzori bazai pe acest principiu sunt realizai pentru temperaturi n gama 50C pn la +300C (KT 84 firma Valvo).

Fig. 3. Senzor de temperatur n construcie simetric, bazat pe rezistena spaial

b) Senzori cu jonciune.Aceti senzori utilizeaz dependena de temperatur a transferului purttorilor de sarcin utiliznd polarizarea unei jonciuni p-n a unei diode, a tranzistorilor sau altei combinaii de jonciuni. Se mai utilizeaz i efectul dependenei de temperatur a modificrilor polaritii jonciunii la capacitile MOS pentru realizarea convertoarelor temperatur frecven.Astfel dependena tensiunii UBE funcie de curentul de colector IC are expresia:

Cel mai folosit tip de senzor este compus din dou tranzistoare pentru a se elimina dispersia dintre dou tranzistoare realizate diferit.La un astfel de cuplu de tranzistoare UBE este dat de relaia:

Dependena de temperatur a UBE este funcie numai de raportul celor dou densiti de curent de la colector:

Pentru a realiza raportul constant al celor dou densiti de curent se utilizeaz cu precdere cureni egali de colector ce trec prin jonciuni cu arii diferite.

Fig.4. Schema de principiu a unui senzor integrat de temperatur Meninerea egal a celor doi cureni de colector se realizeaz cu o schem cu 4 tranzistori 2 din ei formnd senzorul i ceilali doi formnd o oglind de curent. Diferena UBE produce un curent IC2 proporional cu temperatura ce parcurge rezistorul R (Fig. ). Datorit oglinzii curentul total I va depinde direct proporional de temperatur. n acest mod se poate realiza o constant de 1A/K, iar prin trecerea acestui curent printr-o rezisten de 10 k de exemplu se poate obine o sensibilitate de 10 mV/K. Pe acest principiu este senzorul A 590 ce poate msura n gama 50 +150C, cu o eroare de 1K.

1.3. Senzori de presiune cu siliciu

Cea mai rspndit categorie de senzori de presiune utilizeaz efectul piezorezistiv. Rezistena difuzat sau implantat n monocristalul de Si produce efectul msurabil.Se mai utilizeaz i efectul piezocapacitiv (piezoelectric) mai ales de cnd a devenit posibil integrarea mpreun cu senzorul a unui amplificator de sarcin. Ele este mai sensibil i mai stabil cu temperatura dect cel piezorezistiv. Senzorul piezorezistiv este mai simplu i mai ieftin, are o caracteristic aproximativ liniar, condiionarea semnalului este mai simpl. Se utilizeaz Si policristalin sau tehnologia MOSFET modificat.

a) Senzori piezorezistiviEfectul piezorezistiv const n modificarea rezistenei electrice a uni material cnd este supus unui efort mecanic cum ar fi o ntindere sau o compresiune. El se ntlnete la cristale cu axe nepolare ce caracterizeaz i semiconductorii. Dependena variaiei rezistivitii / funcie de efortul mecanic este dat de relaia:

Se cunosc dou efecte piezorezistive: efectul longitudinal cnd curentul este pe aceeai direcie cu efortul i efectul transversal cnd curentul este perpendicular pe efort. cele dou efecte sunt caracterizate prin coeficieni diferii.Senzorii piezorezistivi sunt aplicai pe un element elastic sub form de circuit rezistiv. Corpul elastic poate fi o bar sau sub form de diafragm dreptunghiular sau circular. Rezistorii sunt conectai n punte pe partea cea mai solicitat a elementului elastic.

Fig.5. Senzori de presiune cu membran i piezorezistene.

Fig.6. Traductor de presiune(ST 300) cu senzori piezorezistivi i ieire digital n impulsuri modulate

b)Senzori de presiune piezocapacitiviCapacitatea plan poate fi utilizat n construcia senzorilor prin variaia distanei dintre armturi sau variind suprafaa acestora. Pentru traductoarele de presiune se pot utiliza mici capaciti realizate prin depunere pe feele unei membrane decupate din substrat, a unor pelicule metalice. Deoarece capacitile variaz foarte puin se utilizeaz n circuitele unor oscilatoare RC integrate pe substrat ce furnizeaz la ieire semnale cu frecvena dependent de temperatur.

Fig.7. Principiul unui senzor piezocapacitiv.

2. Senzori de cmp magnetic

Senzorii de cmp magnetic transform cmpul magnetic ntr-un semnal electric. Se pot deosebi dou feluri de aplicaii: utilizarea direct, pentru msurarea componentelor cmpului magnetic, de exemplu: cmpul magnetic terestru, cmpul magnetic al diferitelor maini, citirea codurilor magnetice etc. utilizri indirecte, cnd cmpul magnetic este un purttor de informaie neelectric, de exemplu: n comutatoarele fr contacte, detecia distanelor i a poziiei ori a unghiului de rotaie, msurarea curenilor inteni, sau n wattmetrele integrate.Aceasta gama larga de aplicatii necesita un domeniu larg de masurare, ntre 10mT si 10mT pna la 2T.

Fenomenele i materialele utilizate pentru senzori sunt foarte variate: fora Lorentz, efectul galvanomagnetic, magnetostriciunea, efectul magneto-optic, proprietile materialelor feromagnetice i ferimagnetice n straturi subiri i efectul induciei magnetice.

a) Generatoare Hall i magnetorezisteneMaterialul activ n generatoarele Hall este desigur n-Si. Nivelul de concentraie tipic a purttorilor este de n=1015 1016 cm-1.Grosimea stratului activ este 510m. Sunt astfel realizate cerinele pentru a obine o tensiune Hall (UH) ct mai ridicat aa cum arat ecuaia:

d - grosimea plcuei; I0 - curentul prin senzor; RH - constanta Hall a materialului; B - inducia magnetic perpendicular pe suprafaa senzorului.

Dimensiunile tipice ale unei plcue Hall sunt de aproximativ: L=200m i l200400m. Generatorul Hall, este sensibil la cmpurile magnetice care acioneaz perpendicular pe suprafaa plcuei. Fig.8. Diagrama schematic a unui generator Hall.

Marele avantaj pe care l prezint utilizarea siliciului este acela c ofer compatibilitate deplin cu tehnologia circuitelor integrate. Aceasta permite integrarea electronicii de condiionare a semnalului pe aceeai plcu de Si. Aceast facilitate devine foarte important cnd semnalul furnizat de generatorul Hall este mic (n domeniul mV) i trebuie amplificat. Fig. 9. Senzor Hall cu condiionerul integrat.

Semiconductoarele cu un nalt grad de mobilitate a purttorilor sunt necesare pentru realizarea senzorilor magnetorezistivi (cu magnetorezistene) i de aceea efectul magnetorezistiv este dependent de ptratul permeabilitii n :

Magnetorezistenta este realizata utilizndu-se eutectic InSb/NiSb.Pentru a obtine rezistente de 1001000W, capatul semiconductorului este topit pe o grosime de aproximativ 200 mm urmnd o traiectorie sinuoasa gravata deasupra. Pinii de NiSb sunt aliniati vertical n directia circuitului formnd benzi n scurtcircuit. Pentru compensarea dependentei de temperatura a magnetorezistentei, sunt uzual utilizate configuratii diferentiale pentru placheta. Cmpul magnetic, va cauza o diferenta ntre cele doua magnetorezistente pereche. Aceasta diferenta este convertit intr-un semnal de tensiune ntr-o schema de punte.

3. Senzorii cu strat subire3.1 Noiunea de strat subire (thin-film)n principiu, un strat subire dintr-un material dat este un strat din acest material a crui grosime este foarte redus, ceea ce conduce la schimbarea majoritii proprietilor fizice ale materialului. n cazul unui metal, un strat poate fi considerat subire, dac grosimea sa este de ordinul de mrime al parcursului mediu liber al electronilor de conducie n metalul considerat.Diferena esenial ntre materialul n stare masiv i n stare de strat subire este, legat de faptul c, n pelicul subire efectele produse de suprafeele limit sunt preponderente. Stratul subire este totdeauna solidar cu suportul pe care este realizat. n consecin, suportul poate influena foarte mult proprietile stratului depus. Un strat subire din acelai material, de aceeai grosime, va avea proprieti fizice sensibil diferite dac va fi depus pe sticla sau pe un cristal de Si. Ca urmare un strat subire este anizotrop prin construcie.

3.2. Senzori cu strat subireInteresul straturilor subiri pentru realizarea senzorilor se datoreaz proprietilor lor specifice care permit : Miniaturizarea uoar ,Timp de rspuns foarte scurt,Posibilitatea de a crea materiale altfel imposibil de realizat,Tehnologiile folosite sunt foarte apropiate de cele utilizate la componentele electronice pe siliciu i se asociaz foarte bine cu ele.a) Senzori de presiune cu strat subireSe arat un traductor de presiune, cu membran rectangular din polisiliciu, de 300 nm grosime, destinat aplicaiilor de msurare a presiunii n domeniul automobilelor, n gama 0 -500 mbar. Figura din stnga arat o seciune prin zona cipului unde se gsete senzorul n timp ce n figura din dreapta se prezint ansamblul unui cip vzut de sus cu trei senzori (n extremitatea stng) i legturile metalice pentru culegerea informaiei (conexiunea din dreapta).

Suprafaa cipului este de 400x2300 m2, n timp ce membrana reprezint 150x250m2. Grosimea stratului de siliciu oxidat la suprafa este de 525 m. Un astfel de senzor prezint o sensibilitate ce poate atinge 12mV/V/bar (n funcie de geometria membranei) cu o neliniaritate de 1%.

Fig.10. Senzori de presiune

b) Accelerometru cu strat subire capacitivAccelerometru este obinut printr-o tehnologie mixt, microuzinare i depunerea unui strat subire, se distinge o plac metalic suspendat pe dou bare de torsiune care traverseaz substratul. Constituind o legtur comun a doi condensatori variabili, aceast plac este liber de a se roti n jurul axei de torsiune. Cei doi electrozi fici ai condensatoarelor, sunt depui pe suprafaa substratului (capacitate: cteva zeci de pF, dimensiuni : 40 x 25 milionimi de inch). Sub aciunea unei acceleraii, placa, care este uor decalat fa de axa de torsiune, va suferi o rotaie, crescnd astfel capacitatea de o parte i scznd-o de cealalt. Un astfel de dispozitiv poate funciona pn la 20.000 G. n practic, se realizeaz un senzor dublu care permite utilizarea unui montaj de punte.Se convertesc, variaiile de capacitate, ntr-o variaie de frecven (0 i 250 kHz). Aplicaia vizeaz controlul airbag-ului la automobil.

Fig.11. Accelerometru cu element sensibil capacitiv.

c) Senzori de temperatur cu rezisten din strat subire

Un alt domeniu de utilizare, este cel al msurrii temperaturii. Traductorul, este constituit din 4 elemente termosensibile: 2 destinate msurrii i 2 destinate sistemului de nclzire. Geometria ansamblului, pe faa de msur i pe faa cu conexiuni, este dat n Fig..Diferena esenial de concepie, fa de traductorul masiv, este acela c, ansamblul dispozitivului este situat ntr-un singur plan. Astfel este uor de definit distana geometric ntre elementul nclzitor i elementul de msurat (63 m) i, Ca urmare, timpul de rspuns al senzorului se poate ajusta, experimental, pentru a deveni compatibil cu performanele microsistemului electronic de achiziie i control. Se poate astfel ctiga un factor de 1000 fa de timpul de rspuns obinut cu un senzor masiv.

Fig. 12. Traductor de temperatur n tehnologie cu strat subire.

4. Senzori cu straturi groase

ntr-un anumit numr de cazuri tehnologia straturilor groase (zis nc hibrid) poate aduce soluii elegante la un anumit numr de probleme de msurare. Senzorii ceramici cu straturi groase prezint numeroase avantaje n ceea ce privete fabricaia ca i proprietile lor metrologice. Principalul avantaj este marea simplitate de utilizare fa de tehnicile siliciu+straturi subiri. Ei sunt deci mai bine adaptai la producerea cu mijloace tehnologice mai puin pretenioase. Este n general posibil s obinem un timp de rspuns mai scurt cu straturi groase dect cu ceramici monolitice. Primul domeniu a fost msurarea presiunii (1991), dar s-au realizat i biosenzori i senzori chimici cu straturi groase. n aceste dou cazuri suportul este ceramic (tipic se utilizeaz alumina).

4.1. Senzori de NO cu strat grosSenzorii de NO au ca utilizare optimizarea unui arztor cu combustibil (sau a unui motor de main)Fig. 13. Senzor de NO cu strat grosTehnologia lor de fabricaie se bazeaz pe descompunerea termic a anumitor sruri i oxizi care au o mare reactivitate potenial.

Procedura de fabricaie implic amestecul unei pudre (cu granule de 5m) a materialului anorganic, care va fi elementul sensibil al senzorului, cu un compus organic de tip rin epoxidic. Acest amestec este apoi presat peste un ecran de imprimare (ce definete structura de reprodus) pe ceramica suport, solventul evaporndu-se termic odat cu polimerizarea rinei.

Se poate observa c, prin concepie, un captor chimic de gaz sau de umiditate realizeaz un compromis ntre necesitatea aderenei filmului la substrat i o suprafa de schimb maxim (deci o porozitate maxim) combinat cu o rezistivitate a filmului nu prea ridicat (deci un contact electric bun ntre granulele materialului activ) .Electrozii conductori vor fi realizai n aceeai manier, din metale nobile ca: Au, Pt, Pd

Fig.14. Model de element activ

Fig. 15. Principiul sondei Lambda pentru detectia oxigenului n gazele de eapament

5. Senzori cu fibre optice5.1.Generaliti

Folosirea fibrelor optice este legat din ce n ce mai mult de disponibilitatea acestor materiale, iar cercetrile n vederea utilizrii lor se face n mai multe direcii:Pe de o parte transmisia de date (reeaua telefonic este cel mai bun exemplu);O folosire original este alimentarea cu energie, pentru dispozitive ce necesit securitate intrinsec;Transmiterea unui flux luminos emis de o substan (dozat prin chimiluminiscen);n sfrit modificarea proprietilor de reflexie de la extremitatea unei fibre optice sub efectul unei mrimi de msurat este utilizat pentru a concepe senzori miniaturizai utilizai n robotic i medicin.

5.2. Descrierea fenomenologic a proceselor de detecieRadiaiile electromagnetice pot reaciona cu materia n diferite moduri. Se pot clasifica aceste aciuni din punct de vedere al efectelor fotonice, termice i ondulatorii. n prima categorie, fotonii acioneaz direct asupra electronilor materialului. Cum aceti electroni pot fi legai de atomii din reea sau din contr pot fi liberi, este posibil o mare varietate de interaciuni.A doua categorie este caracterizat prin modificarea anumitor proprieti ale materiei ca urmare a creterii temperaturii provocat de absorbia radiaiilor. A treia categorie de efecte este bazat pe interaciunea ntre cmpul electromagnetic datorat fotonilor, cu materia, a crui rezultat este schimbarea anumitor proprieti interne ale materialelor.

5.3. Senzori de temperatur

Fibra optic poate fi n acelai timp senzor i transmitor de informaii : dac n extremitatea fibrei se realizeaz un microcorp negru se poate capta radiaia emis de corp a crui temperatur se dorete s se cunoasc. Se poate utiliza de asemenea fotoluminiscena, adic se transmite o radiaie pn la captul fibrei, prevzut cu o pastil luminiscent, care emite la rndul su raze dependente de cldura sa. Un astfel de senzor este descris mai jos.

Fotoconductivitatea

(intrinsec,

extrinsec, microunde)

Efecte fotovoltaic

(jonciune p-n, barier Schottky, heterojonciune)

Efect fotoelectro-magnetic

Interaciunea purttorilor liberi

(bolometru cu electroni calzi, captarea fotonilor)

Interaciuni localizate

(contor cuantic cu infraroii, film fotografic)

Fotoemisie (fotocatod, fotomultiplicator)

a) Senzori de temperatur cu substane luminiscenteElementul sensibil este o pastil fluorescent, nglobat n plastic transparent, poziionat n captul unei fibre optice. Materialul luminiscent poate fi un cristal de AlGaAs. Sursa optic este o diod luminiscent cu 0=750 nm. Aceast lumin va produce luminiscena cristalului sensibil cu temperatura i apoi, o raz reflectat de la acest cristal se ntoarce, prin aceeai fibr, la un element detector. Prin filtraj optic, se separ dou fascicole luminoase cu dou lungimi de und 1=800 nm i 2=900 nm. Dup detecia cu dou fotodiode, raportul celor doi cureni este determinat pe cale electronic.Acest raport depinde n mod liniar de temperatur i este utilizat pentru msurare. Acest fel de senzor este utilizabil n domeniul 0 la 200C cu o rezoluie de aproximativ 0,1C. Elementul sensibil al unui astfel de senzor are diametrul n jur de 0,5 mm (ASEA).

Fig.3.25. Schema de principiu a unui senzor de temperatur cristal fluorescent.

b) Senzori de distan cu fibr opticUn alt domeniu este msurarea distanelor mici. Senzorii pentru distane mici sunt realizai cu o fibr sau 2 fibre optice utilizndu-se raportul dintre intensitatea luminii la intrarea n fibr i intensitatea la ieire. Acest raport depinde de distana normat R/D dup o lege cunoscut Aceast structur poate fi de asemenea folosit ca senzor de presiune, dac suprafaa utilizat este o membran elastic. Se pot msura, bazai pe acest principiu, turbiditatea, vibraii, temperatura, debitul etc.

Fig.3.31. Senzori de distan .a) cu dou fibre; b) cu o fibr.

c) Senzori de nivelPentru a obine un senzor de nivel se plaseaz n capul fibrei un con care, n contact cu aerul, returneaz n ntregime lumina n fibr iar, n contact cu lichidul, o parte din lumin se va pierde, pentru c lichidul este mai dens dect aerul. n acest mod, se poate detecta nivelul stabilit (fig.4.33.a).

a)b)Fig.3. 32. Senzor de nivel cu fibr optic : a) detector de nivel; b) senzor de nivel cu refractometru.

Pentru msurarea continu a nivelului se utilizeaz un refractometru cu fibr n form de U, fibra fiind fr teac pe partea curbat. n contact cu aerul, lumina rmne n ntregime n fibr.Dac partea fr teac vine n contact cu lichidul, o parte proporional se pierde i intensitatea radiaiei la ieire este micorat proporional cu nivelul lichidului (fig.3.32.b). O surs de erori poate fi transparena lichidului sau poluarea fibrei n zona activ. Gama temperaturilor de funcionare este de la 20 la 45C. Rezoluia poate fi de 0,1 mm.

6. Senzori inteligeni

6.1. Arhitectura unui senzor inteligentEste senzorul care dispune de o anumit capacitate de calcul, care-i permite: s in cont de derive, de mrimile de influen, i care este capabil de a furniza un semnal corectat, pe care sistemul de achiziie s-l poat achiziiona direct. Fig.3.33. Principiul de organizare a unui senzor inteligent.

Pe acelai cip s-a plasat senzorul principal i cei asociai, astfel ca elementul de calcul s fie constituit dintr-un microcontroller i un EEPROM. n general se asociaz fiecrui senzor un condiioner specific dar, nu va fi implementat dect un singur CAN, prevzut cu un multiplexor, pentru a culege secvenial datele. La ieirea microprocesorului se gsete fie o transmisie numeric direct, fie se va instala o conversie numeric-analogic a mrimii corectate, urmat de o transmisie analogic clasic. Un astfel de ansamblu prezint urmtoarele avantaje: Creterea preciziei de 10 ori;Mentenana prin autotest integrat, alarme, memorizarea evenimentelor excepionale, configurare la distan, posibilitatea transmiterii unice pentru mai muli senzori de diferite tipuri. Reducerea stocurilor, a duratelor de etalonare i calibrare, fiabilitate sporit, alarm local sau la distan, degrevarea calculatorului central, care nu mai are de efectuat diverse calcule de corecie

Fig.3.34. Aciunile ntreprinse ntr-un instrument inteligent.