Szenzorok és mikroáramkörök 4. előadás

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

4. ELŐADÁS: HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELŐK I

2015/2016 tanév 2. félév

2

1. Hőmérsékletérzékelők, általános bevezető 2. Hőtani alapok

3. Sugárzásos hőmérsékletérzékelés 4. Piroelektromos hőmérsékletérzékelés

HŐMÉRSÉKLET ÉS A MINDENNAPI TAPASZTALAT

- Hideg a sör - Meleg a leves

- Forróság a napon - Hideg a tél

Számszerűsíteni kell a mindennapi tapasztalatokat!

4

HŐMÉRSÉKLETMÉRÉS

A legtöbb hőmérő a saját hőmérsékletét méri!

A hőmérséklet mérésre alkalmas elvek:

Anyag hőtágulása, Hővezetés,

Villamos ellenállás változás,

Két fém kapcsolódásánál fellépő potenciálkülönbség (PtRh₁₀-Pt),

Anyag hőmérsékletből eredő sugárzás, Stb…..

5

HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS ÉS ÉRZÉKELÉS

A hőmérséklet az iparban a leggyakrabban mért paraméter.

A hőmérséklet villamos jellé való átalakításának, és így a hőmérsékletnek elektromos úton való érzékelésének és mérésének három klasszikus eszköze

- a termoelem,

- az ellenállás-hőmérő - és a termisztor.

A termoelem generátor típusú, a másik kettő pedig modulátor típusú érzékelő.

6

HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELÉS: IPAR

Thermistance (RTD - resistance temperature detector):

metal whose resistance depends on temperature:

(Cu, Ni, Pt)

 cheap, robust, high temperature range ( -180ºC ...600ºC),

 require current source, non-linear.

Thermistor (NTC - negative temperature coefficient):

semiconductor whose resistance depends on temperature:

 very cheap, sensitive,

 low temperature, imprecise, needs current source, strongly non-linear, fragile, self-heating

HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELÉS: IPAR

Thermo-element (Thermoelement, thermocouple):

pair of dissimilar metals that generate a voltage proportional to the temperature difference between warm and cold junction

(Seebeck effect)

 high precision, high temperature, punctual measurement

 low voltage, requires cold junction compensation, high amplification, linearization

8

HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELÉS: IPAR

Spectrometer:

measures infrared radiation by photo-sensitive semiconductors

 highest temperature, measures surfaces, no contact

 highest price

Bimetal (Bimetall, bilame):

mechanical (yes/no) temperature indicator using the difference in the dilatation

coefficients of two metals, very cheap, widely used (toasters...)

IPARI HŐMÉRÉSÉKLET-ÉRZÉKELÉS

How to measure T: Bi-metal

Classical measurement due to thermal expansion Thermal expansivity of metals:

K l

l / 1...210^5 /



Still in use for simple thermometers and thermostats Large hysteresis

In microsystems used as actors

There are many unwanted bimetals which cause thermal stress

T-MÉRÉS: BIMETÁL

FOLYADÉK/GÁZ HŐMÉRŐ

Expansion of a fluid or gas

Conventional thermometer with mercury or alcohol Gas thermometer is standard method

Application: T switch in old fridges

12

TERMOLELEM: ALKALMAZÁSOK

Háztartásban

Űrtechnológiában

SUGÁRZÁSÉRZÉKELŐS T MÉRÉS

14

HŐMÉRSÉKLET ÉS ENERGIA

Egy fizikai rendszer vagy állapotát a rendszer belső energiájával lehet jellemezni. Ez egy szerkezeti energia, az illető rendszer mint makroszkópikus test mozgási (kinetikus) és potenciális energiája nem számítandó hozzá. A hőmérséklet mely egy termodimamikai ”intenzív” paraméter a belső energiával áll kapcsolatban.

Az energia és a hőmérsékleti skálák közötti összefüggés E = kT

k – Boltzmann állandó 1,38x10^-23 Joule/K .

A HŐMÉRSÉKLET SI MÉRTÉKEGYSÉGE

A hőmérséklet SI mértékegysége a kelvin (K).

Definicíója: a víz (H₂O) hármaspontja (termodinamikai) hőmérsékletének 1/273,16 –szorosa. Abszolút skála, mely a Carnot-féle körfolyamat hatásfoka, vagy az ideális gáz állapotegyenlete (pV = nRT) szerint lehet definiálni.

A kelvin a m, kg, s, A, és a cd mellett az SI (Systȇme International) mértékrendszer hatodik alapegysége.

16

HŐMÉRSÉKLETMÉRÉS A TÖRTÉNELEM TÜKRÉBREN

1592: Galilei: a levegő tágulásával jellemez egy hőmérsékleti állapotot (egyik végén zárt üvegcső másik vége folyadékba merül)

1665: Boyle

1688: Dalence: két fixpontot javasol (mély pince és az olvadó vaj hőmérséklete)

1693: Halley: felismeri a víz forráspontjának az állandóságát és higanyt használ hőmérsékletmérésre

1694: Renaldini: javasolja fixpontul a víz fagyás- és forráspontját

1699/1703: Amontons: Gay-Lussac törvények (gázok hőtágulása, elképzelés az abszolút nullapontról)

1742: Celsius: 100 fokos osztás, 0C forráspont, 100C fagyáspont

1750: Strömer: megfordítja a celsius skálát

1848: Thomson (Lord Kelvin): termodinamikai hőmérsékletskála

HŐMÉRSÉKLETI SKÁLÁK

Abszolút (termodinamikai, Kelvin) és relatív (Réaumur, Farenheit, Celsius) skálák. A relatív skálák alappontjai a víz olvadás- és forráspontja. A víz olvadásponja 0^o (R,C), illetve 32^o (F), a forráspont és az olvadáspont közötti távolságot pedig 80, 180 illetve 100 részre osztják.

0

80

18

HŐMÉRSÉKLETI SKÁLÁK

ÖSSZEHASONLÍTÁSA

FAJHŐ ÉS HŐKAPACITÁS

A fajhő az a hőmennyiség (energia) mely ahhoz szükséges, hogy egységnyi tömegű anyag hőmérséklete egy fokkal (K vagy ^oC emelkedjék.

Q

c =  dimenziója J/kg K

T

A hőkapacitás a tömeg és a fajhő szorzata C_th = c m dimenziója J/K

20

HŐÁTADÁS

A hőátadás befolyásolja a hőmérsékletérzékelők működését. A hőmérsékletérzékelők általában a saját hőmérsékletüket mérik, és a hőátadási viszonyoktól függ, hogy ez mennyire egyezik meg a mérendő objektum hőmérsékletével, illetve mennyire tér el attól.

Hőátadás mechanizmusai:

- hővezetés;

- hőáramlás (konvekció);

- hősugárzás.

HŐÁRAMLÁS (KONVEKCIÓ)

A hőáramlás a hőterjedés egyik módja:

A folyadékokban, illetve gázokban a hő (energia) az anyag részecskéinek (molekulák) elmozdulása (helyváltoztatás, áramlás) révén terjed.

Magasabb hőmérséklet - nagyobb energiájú részecskék Alacsonyabb hőmérséklet - kisebb energiájú részecskék

22

HŐVEZETÉS

Fizikai mechanizmus:

Közvetlenül érintkező, különböző hőmérsékletű

anyagrészecskék közötti hőkicserélődés. A hő a magasabb hőmérsékletű helyről az alacsonyabb hőmérsékletű hely felé áramlik.

Q =  T A t / l

 - hővezetési együttható W/m K

T - hőmérséklet-különbség A - áramlási keresztmetszet l - áramlási hossz

t - idő

HŐVEZETÉS: ELEKTROMOS ANALÓGIA

Hővezetés ”Ohm törvénye”

Q / t = P =  T A / l

Hőtani paraméter Elektromos paraméter Hőmérséklet (T) Feszültség (U)

Hőáram (P=Q/t) Áram (I)

Hővezetőképesség () Vezetőképesség () Stb.

24

HŐVEZETÉSI EGYÜTTHATÓ

Anyag  (W/cm K) T = 300 K CNT, grafén 30-50

C (gyémánt) 6,6

Ag 4,18

Cu 3,85

GaN 1,3

Si 1,5

GaAs 0,46

Ge 0,6

Pb 0,38

SiO₂ 0,014

HŐVEZETÉS MECHANIZMUSAI

Rácsrezgések (fononok) és szabad elektronok (lyukak).

Fémek jó elektromos és hővezetők,  és  arányos egymással (Wiedemann-Franz törvény).

Egykristályok (félvezetők is) általában jó hővezetők.

Amorf, polikristályos anyagok, ötvözetek (rendezetlen szerkezetű anyagok általában) rossz hővezetők.

26

HŐSUGÁRZÁS

Sugárzás(EM) elnyelés és kibocsájtás (kb. 1 – 100 m).

Stefan-Boltzmann törvény:

Q =   T⁴

 - emisszíós tényező (1)

 - abszolút fekete test sugárzási tényezője (Stefan-Boltzmann állandó,  = ²k⁴/(60h³c²)

= 56,7x10^-9 W/m²K⁴)

HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÁS

Az anyagi testek hőmérsékletüktől függően elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A kibocsátott EM (fény) energia a hőmérséklettel emelésével rohamosan (az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával) nő. A sugárzás spektruma a teljes (0, ) tartományra kiterjed, és a spektrális maximum helye hullámhosszban az abszolút hőmérséklettel fordítva arányos.

Alapvető fizikai törvények:

Planck féle sugárzási törvény Wien féle eltolódási törvény Stefan-Boltzmann törvény (Rayleigh-Jeans törvény)

28

TERMIKUS SUGÁRZÁS SPEKTRUMA

540- 580 ^oC 580-650 ^oC 650-750 ^oC 750-780 ^oC 780-800 ^oC 800-850 ^oC 850-900 ^oC 900-1050 ^oC 1050-1150 ^oC 1150-1250 ^oC 1250-1350 ^oC

FEKETE TEST SUGÁRZÁSA

Egységnyi felületről egységnyi térszögbe egységnyi hullám- hosszon (1 m) kisugárzott teljesítmény a hullámhossz (m) függvényében. (Az egyenes a Wien-féle eltolódási törvény)

INFRAVÖRÖS SUGÁRZÁS

body black

emissivity

T A

const P

R R

R IR

: 1

;

4



















) (

IR

const T T

P      

At λ=10µm most materials show ε = 0,95...1,0 (except metals, they reflect)

The sensor also emits IR radiation:

PONTHŐMÉRSÉKLETMÉRÉS INFRAVÖRÖS (IR) SUGÁRZÁS ALAPJÁN

Minden tárgy elnyel (abszorbeál) és kibocsát (emittál) sugárzást.

A tárgy a hőmérsékletének megfelelő energia szinten bocsát ki energia sugárzást, anyagától és felületi minőségétől függő mértékben.

Környezeti hőmérséklet visszaverődő sugárzása

A tárgy hőmérsékleti sugárzása

32

SUGÁRZÁSI PIROMÉTER FELÉPÍTÉSE

1 - tárgy 2 – optika

3 – modulátor (mechanikai) 4 – detektor

5 - referencia A tárgy hősugárzása az infravörös

sugárzásra készített optikán keresz- tül jut az érzékelőre. A sugárzás intenzitása a Stefan-Boltzman törvény alapján a hőmérséklet 4-ik hatványával arányos

W=T⁴

A kapcsolat tehát nem lineáris, alacsony hőmérsékleten a jel nagyon kicsi.

TESTHŐMMÉRSÉKLET ELOSZLÁS

A test hőmérséklet eloszlását láthatóvá tevő kamera és képernyő.

Az emberi test vizsgálatánál 2-3^oC-os mérettartomány- ban 0,1^oC-os pontossággal lehet hőtérképet készíteni

Gyulladások, vérkeringési eltérések láthatóvá tehetők.

34

HŐÁTADÁS

A hővezetés, a hőáramlás és sokszor a hősugárzás is együtt lép fel. Ez az összetett jelenség a hőátadás.

A hőátadás fenomenologikus alapegyenlete

Q =  A T t

Q - átadott hő (energia) Joule

 - hőátadási tényező W/m²K A - érintkezési felület

T - hőmérsékletkülönbség t - hőcsere ideje

HŐÁTADÁS

A hőátadás fenomenologikus alapegyenlete

Q =  A T t

Szilárdtest-folyadék, illetve szilárdtest-gáz határfelületén csak nyugvó közegekre érvényes. Áramló folyadék vagy gáz esetén javul a hőátadás, lamináris áramlásnál kisebb, turbulens áramlásnál nagyobb mértékben. Az áramlási sebesség növekedésével Q is növekszik.

ΔQ = p x A x ΔT

dT = 0 dP = 0

dT ≠ 0 dP ≠ 0

PIROELEKTROMOS EFFEKTUS

Spontán polarizáció, illetve megváltozása hőmérséklet hatására.

Spontán polarizáció: piezoelektromos, ferroelektromos, elektret anyagok. Nyugalmi állapotban a töltéssemlegesség miatt nem észlelhető a polarizáció. Hőmérsékletváltozás – polarizációváltozás, ez érzékelhető, utána ”lecseng”.

37

PIROELEKTROMOS EFFEKTUS

Piroelektromos együttható

p = P/T

Sikkondenzátorban dielektrumként elhelyezett piroelektromos anyag esetén

U = p d T / _r _o Nagy érzékenység

Statikus mérés nem lehetséges

Anyagok: turmalin, NaNO₂, LiTaO₃, TGS (triglicin-szulfát)

38

PIROELEKTROMOS ANYAGOK

PIROELEKTROMOS CELLA

e l e k t r ó d a

b e s u g á r z á s

p i r o e l e k t r o m o s

a n y a g

s u g á r z á s t

e l n y e l õ

r é t e g

e l e k t r ó d a

40

PIROELEKTROMOS

HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELÉS

Insulator wafer Triglycine sulface-D

Temperature dependent electric polarization

Generally disappears when electric field is removed For pyroelectric materials

T dependent capacitor is created Fast response time

Usage

FT-IR detector

Night vision system

PIROELEKTROMOS DETEKTOROK

Intruder detection and burglar alarms Flame detector and fire detector

Temperature measurement Automatic door switch

IR spectrometer Pollution monitors Light control

42

SUGÁRZÁS MÉRÉS

Kis T változás is jól mérhető hatást idéz elő. Leginkább hőmérsékletérzékelésre használható, közvetve nagypontosságú távhőmérséklet-mérést tesz lehetővé (hősugárzás a felületi hőmérséklet függvénye).

Statikus megfigyelés a sugárzás mesterséges megszakításával, pl. forgótárcsával.

Alkalmazás pl. mozgásdetektor, piroelektromos IR vidikon

MOZGÁS ÉRZÉKELÉS: MŰKÖDÉSI ELV

44

MOZGÁS ÉRZÉKELÉS

DETECTOR ARRAYS

1-D linear arrays:

infrared gas detectors arrays:

capnography 2-D arrays:

high quality IR images fire fighting

land mine detection process control

facial recognition traffic control

FABRICATION TECHNOLOGY

Two main concepts:

Hybride assembly

Thermal insulation  cantilever formed using micromachining techniques

Micromachining techniques:

Bulk micromachining  linear arrays Surface micromachining  2D arrays

Fabrication process of a pyroelectric TFFE

(thin film ferroelectric) pixel

48

FELHASZNÁLÁS

Hősugárzás érintésmentes mérésére.

Előnyös, hogy az érzékenység független a sugárzás hullámhosszától.

Csak a sugárzás változását képes érzékelni, lassan változó sugárzás esetén blendét/szaggatót kell használni.

Gyakran használják tűz- és betörésjelző berendezésekben (a behatoló testhőmérsékletének sugárzását képes érzékelni).

DIÓDA (PN ÁTMENET) HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKLŐ

Nyitóirányban előfeszített és állandó árammal átjárt pn átmeneten eső feszültség függ a hőmérséklettől, a hőmérséklet növekedésével csökken. Ennek oka a pn átmenet telítési áramának hőmérsékletfüggése

I_sat ~ n_i² ~ exp(-E_G/kT)

Si alapanyagra szobahőmérséklettől nem túl távol (dU_D/dT)_I=const  -2 mV/K

50

DIÓDÁS HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELŐ

A legegyszerűbb p-n átmenetes hőérzékelő a félvezető dióda.

Ezeket széles körben használják, mert olcsók, és a -50…+150°C -os hőmérsékleti tartományt elfogadható linearitással és üzembiztosan mérik. Az érzékelő

időállandója a dióda

hőtehetetlenségétől függ és hűtőborda segítségével szinte tetszőlegesre növelhető.

T₂ > T₁

MÉRŐKAPCSOLÁS

52

TRANZISZTOR MINT ÉRZÉKELŐ

A diódákhoz hasonlóan a tranzisztor is alkalmazható hőmérséklet érzékelésre. Ekkor az emitter-bázis nyitófeszültség hőmérsékletfüggését mérik úgy, hogy a kollektoráramot állandó értéken tartják, és a tranzisztort földelt bázisú kapcsolásban működtetik. A tranzisztoroknál szűk a hőmérsékletfüggés lineáris tartománya, viszont a kollektoráram változtatásával különböző hőmérséklettartományokra állítható be a linearitás.

53

BÁZIS-EMITTER DIÓDA SZENZOR

Tranzisztoroknál a nyitóirányú bázis-emitter dióda I_C-U_BE karakterisztikáját lehet felhasználni.

54

BIPOLÁRIS TRANZISZTOROS ÉRZÉKELŐ

PN ÁTMENETES

HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKLŐ

A bonyolultabb, kifejezetten hőmérsékletérzékelésre gyártott p-n átmenetes hőérzékelők pl. 10…100 µA-es áramtartományra és 10-50°C-os hőmérséklettartományra kaphatók. A diódák és tranzisztorok hőmérsékleti linearitása javítható, ha a szenzorelemet komplett áramkörré egészítjük ki. A teljes áramkört a mérendő hőtérbe téve az alapkapcsolás kimeneti feszültségének hőfüggését mérik.

Az ilyen áramköröket monolit integrált áramkörként alakítják ki. A p-n átmenetes hőérzékelő eszközt a kapcsolási rajzban áramgenerátorral helyettesítik, amelynek forrásárama a hőionizáció okozta töltésáram.

56

PN ÁTMENETES

HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKLŐ

Si PN ÁTMENETES HŐÉRZÉKELŐ

A feszültségkülönbséget még tovább szokták erősíteni, ezzel integrált áramkörök 1mV/K vagy 1 A/K érzékenységgel kaphatók.

0C-nál a jelek 273,2 mV illetve 273,2 A

A jelleggörbe szigorúan egyenes, ezért nem szükséges linearizálni. Előnyös lehetőség ez érzékelő és az erősítő egy építőelembe integrálhatósága.

Felhasználási hőmérséklettartomány: -50 ... +150 C

58

KVARCOSZCILLÁTOR HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELŐ

Kvarclapkákat különböző orientációval lehet a kristályból kivágni. Idő- és frekvenciajeladókhoz olyan orientációt választanak, amelyeknél a frekvencia hőmérsékletfüggetlen.

Hőérzékelőhöz olyan orientációt választanak, amelynél nagy a frekvencia hőmérsékletérzékenysége.

KVARCOSZCILLÁTOR HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELŐ

Jelleggörbe: a frekvencia hőmérsékletfüggése f(T)=f₀[1+(T-T₀)+(T-T₀)²+(T-T₀)³]

f₀ a frekvencia a referenciahőmérsékleten Az együtthatók értékei:

 = 90x10^-6 K^-1  = 60x10^-9 K^-2  = 30x10^-12 K^-3

Ha a kvarc frekvenciája 0C-on f₀=16 MHz, akkor 100C-on 144 kHz és a négyzetes tag miatt 9,6 kHz a relatív változás.

A relatív változás kicsi, de mivel frekvenciát nagy pontossággal lehet mérni, ezért ez a mérési eljárás nagy felbontású hőmérsékletmérésre alkalmas.