Сенсоры. Классификация сенсоров. Терморезистивные, термоэлектрические, термомеханические, пироэлектрические преобразователи

1.

Санкт -Петербургский Государственный
Политехнический Университет
Лаборатория нано- и
микросистемной техники
«Типы и конструкции
микроэлектромеханических систем»
Сенсоры
Ю.Д.Акульшин
Вед.инженер НИЛ «НМСТ»
Санкт-Петербург - 2018
Лекция 4

2.

2.Сенсоры. Классификация сенсоров.
Микромеханические сенсоры. Механические конструкции: объемные, мембранные,
балочные, струнные. Виды преобразователей. Датчики на основе микромеханических
преобразователей.
Лекция 3

3.

2.Сенсоры. Классификация сенсоров.
Терморезистивные, термоэлектрические, термомеханические,
пироэлектрические преобразователи.
Тепловые сенсоры.
Датчики: температуры, потока, вакуума; термопары,
анемометры, болометры.
Оптические сенсоры.
Датчики: светового потока, оптического поглощения, смещения,
положения.

4.

Терморезистивные преобразователи.
металлы
где R0 – сопротивление при 0 ºС, R1 – сопротивление при
температуре Т1, α – температурный коэффициент
Pt
α = 3,9·10–3 К–1
Ni
α = 5,39·10–3 К–1
полупроводники
Моно и поликристаллический
кремний p-тип отрицательный ТКС,
n-тип положительный ТКС
α =
β=
Характеристика Pt100

5.

Термоэлектрические преобразователи.
Эффект Зеебека (1821 г.)
В электрической цепи, составленной из разнородных
проводников (М1 и М2), возникает термоэдс, если
места контактов (А, B) поддерживаются при разных
температурах.
ΔТ – разность температур межу контактами
γ – коэффициент Зеебека
Металл
α, мкВ/К
Платина
-4.4
Олово
-0.2
Свинец
0.0
Серебро
+2.7
Медь
+3.2
Сурьма
+4.3
Для полупроводников превышает 1000 мкВ/К

6.

Термомеханические преобразователи
Abbildung

7.

Термомеханические преобразователи

8.

Пироэлектрические преобразователи
PbZrО3
PZT
РbTiO3
триглицин сульфат
(TGS) и танталат линия (LiТаО3)
i0 – пиковое значение тока, t – время, τT – постоянная
времени

9.

Датчики на основе терморезистивных преобразователей
Термометры сопротивления
Pt100
Pt1000
Pt 50
Pt
α = 3,9·10–3 К–1
Ni
α = 5,39·10–3 К–1
Макс диапазон от -196 °C до +1000 °C

10.

Датчики температуры
Термопары
Датчики на основе термоэлектрических преобразователей
Металлы и сплавы
в зависимости от типа от -200 °C до +1800 °C
2
1
Полупроводники
кремний
-20 °C до +85 °C

11. Тепловой преобразователь

Санкт -Петербургский
Политехнический Университет
нано- и
Лаборатория
микросистемной техники
Тепловой преобразователь
1) основание 2) мембрана 3) нагреватель 4) батарея термопар
5) алюминиевый экран
11

12.

Санкт-Петербургский Политехнический
Университет
Лаборатория микротехнологии и
микроэлектромеханических систем
ТЕПЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Тепловой микропреобразователь
Две 20-элементные
термопары
Кремниевый чип
2,5*3*0,4 мм
8 миллиграмм
Механическая
прочность
Мембрана
из чередующихся
слоев SiO2 и Si3N4
Высокая
термоЭДС и
стабильность
Поликремниевые
термопары
Нагреватель 600 Ом
Мембрана
толщина 1 мкм
Датчик – прототип
для
Нагреватель
с низким ТКС
Линейность
преобразования
микрорасходомера
вакуумметра
инклинометра
акселерометра
термоанемометра
www.mems.ru

13.

Санкт - Петербургский Политехнический
Университет Петра Великого
нанои
Лаборатория
микросистемной техники
ТЕПЛОВЫЕ ДАТЧИКИ
две 20-элементные
термопары (p-Si/n-Si)
нагреватель (NiCr)
R=100 Ohm
кремниевый чип
2,5 x 3 x 0,4 мм
8 миллиграмм
диэлектрическая
мембрана (h=1 мкм)
Датчик – прототип
для
Мембрана
из чередующихся
слоев SiO2 и Si3N4
Согласование с
кремнием по ТКР
Поликремниевые
термопары
Высокая
термоЭДС и
стабильность
Нагреватель
с низким ТКС
Линейность
преобразования
микрорасходомера
вакуумметра
инклинометра
акселерометра
анемометра
болометра
14

14.

Санкт - Петербургский Политехнический
Университет Петра Великого
нанои
Лаборатория
микросистемной техники
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
(AC-DC converter)
Вторичный эталон
напряжения
(совместно с ВНИИ
Метрологии)
Частотный диапазон: 10 Гц …1 MГц
Входное напряжение: 1В
Выходное напряжение: 100 мВ
Точность измерения: 10-5 %
Долговременная стабильность: > 10 лет
1-е поколение
2-е поколение
3-е поколение
15

15.

Санкт - Петербургский Политехнический
Университет Петра Великого
нанои
Лаборатория
микросистемной техники
ТЕПЛОВОЙ РАСХОДОМЕР
Принцип действия:
термоанемометр с косвенным
подогревом
Объемный расход газа
Диапазон измерения: 0…250 мл /
мин
Погрешность измерения: не более
2%
Uout, мВ
3
Замена ротаметров в технологических
установках
2,5
2
1,5
1
0,5
0
20
40
60
80
100
Расходомер в корпусе из профилированного
оргстекла
Скорость потока газа, мл /
мин
16

16.

Санкт - Петербургский Политехнический
Университет Петра Великого
нанои
Лаборатория
микросистемной техники
ИНКЛИНОМЕТР и АКСЕЛЕРОМЕТР
Принцип действия: конвекция в замкнутом объеме
Отклонение от вертикали:
Диапазон углов: +/- 90o
Точность: не менее 0,1%
Зависимость выходного сигнала от угла
наклона
Сравнение частотных откликов трех
тепловых акселерометров и одного
микромеханического акселерометра
фирмы Analog Device
16

17.

Санкт - Петербургский Политехнический
Университет Петра Великого
нанои
Лаборатория
микросистемной техники
ТЕПЛОВОЙ ДАТЧИК ВАКУУМЕТРА
Сферы применения:
• измерение уровня вакуума в микрообъемах;
• замена крупногабаритных ламп Пирани в вакуумной
MEMS
THERMAL CONVERTER – VACUUM METER
технике
120
Thermoelectromotive, mV
100
80
60
40
20
0
1,00E-04
1,00E-03
1,00E-02
1,00E-01
Pressure, mm Hg
1,00E+00
1,00E+01
17

18.

Санкт - Петербургский Политехнический
Университет Петра Великого
нанои
Лаборатория
микросистемной техники
Тепловые датчики для управления
миниатюрными беспилотниками
инерциальная
навигационная система
(акселерометры)
датчики истинной
воздушной скорости
(термоанемометры)
датчики отрыва потока
(термоанемометры)
датчики крена и тангажа
(инклинометры)
Преимущества тепловых сенсоров:
Простота технологии;
Высокий уровень выходного сигнала (отсутствует необходимость
в сложной обрабатывающей электронике);
Отсутствует чувствительность к высокочастотным шумам
18

19.

Конструкция микродатчика.
19

20.

Технология изготовления теплового микродатчика.
20

21.

Санкт -Петербургский Государственный
Политехнический Университет
Tp 1
Rнагр
Tp 2
нано- и
Лаборатория
микросистемной техники
Конт.
Цепь
4
Uпит«Rнагр»
6
Uпит «Rнагр»
13
Uвых «Tp 1»
15
Uвых «Tp 1»
22
Uвых «Tp 2»
24
Uвых «Tp 2»

22.

Санкт -Петербургский Государственный
Политехнический Университет
нано- и
Лаборатория
микросистемной техники

23.

Акселерометр -ТАКС

24.

Вакуумметр форвакуумного диапазона ТВАК
KV2-2
290
270
250
ТермоЭДС, мВ
230
210
190
170
150
130
110
90
70
0,0001
0,001
0,01
0,1
Давление, мм.рт.ст.
1
10

25.

Измеритель скорости потока газов ИСПГ
Термоанемометр АКТАКОМ
АТТ-1004

26.

расходомер ТИРГ
Uвых, мВ
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
20
40
60
80
100
Расход, мл / мин