mikrosystemy ceramiczne - w12.pwr.wroc.plw12.pwr.wroc.pl/lmg/wp-content/uploads/km/w8.pdf · rtd pt...

Mikrosystemy ceramiczne

WYKŁAD 8

Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

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

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

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

x y

x X

y = f(x)

y X

sygnał fizyczny lub chemiczny sygnał elektryczny

Terminologia - czułość

Czułość pomiarowa czujnika Sx

Sx = df/dx xX

Terminologia – czułość

J. Gardner

Wykres czułości dla czujnika idealnego (linia ciągła) i rzeczywistego (linia przerywana)

Terminologia – czas odpowiedzi

J. Gardner

stan ustalony

odpowiedź

czujnika

czas

Czas odpowiedzi - czas po upływie którego czujnik osiąga określoną część

odpowiedzi (np. 90%).

Terminologia – granica wykrywalności (LOD)

granica oznaczalności (LOQ)

E. Topic i in., 2014

Ślepa próba Analit

3s

10s

LOQ

Ważne parametry:

- czułość

- selektywność

- stabilność (powtarzalność)

- zabezpieczenie przed wpływem otoczenia

- kompatybilność systemu

- koszt

Problemy:

- nieliniowość

- dryft w czasie

- kalibracja

Technologia:

- konwencjonalna

- grubowarstwowa

- cienkowarstwowa

- półprzewodnikowa

Przetwarzanie sygnału

- elektroniczne

- optyczne

Synał wejściowy:

- fizyczny

- chemiczny

- biological (biosensor)

Konwersja energii:

- czujniki generacyjne

- czujniki parametryczne

Zjawiska wykorzystywane do przetwarzania

sygnału:

- piezoelektryczne

- piezorezystywne

- magnetorezystancyjne

- piroelektryczne

- termoelektryczne

- . . .

Podział czujników:

Klasyfikacja - technologia

- Konwencjonalna

- grubowarstwowa

- cienkowarstwowa

- półprzewodnikowa

TEWA

rakla pastasito

rama

emulsja

podłoże

Klasyfikacja - sygnał wejściowy

- Fizyczny(temperatura, przepływ gazu i cieczy, ciśnienie,

siła, odległość, przepływ ciepła, promieniowanie,

poziom cieczy, przyspieszenie . . . )

- chemiczny(wilgotność, pH, koncentracja jonów, koncentracja gazu, . . .)

- biologiczny (biosensor)

ciśnienie przepływ gazu

koncentracja gazu

pomiar glukozy

Klasyfikacja

Przetwarzanie sygnału

- elektroniczne

- optyczne

Konwersja energii:

- czujniki generacyjne

(przetwarzają energię dostarczoną przez obiekt na

sygnał elektryczny napięcia lub prądu)

- czujniki parametryczne

(wymagają dostarczenia energii z zewnątrz -> zmiana

mierzonego parametru elektrycznego)

termopara

czujnik ciśnienia

Klasyfikacja

Zjawiska wykorzystywane do

przetwarzania sygnału:

- piezoelektryczne

- piezorezystywne

- magnetorezystancyjne

- piroelektryczne

- termoelektryczne

- . . .

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 https://encyklopedia.pwn.pl

Proste zjawisko piezoelektryczne Odwrotne zjawisko piezoelektryczne

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

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.

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

- koncentracji jonów

- koncentracji gazu

- glukozy

- . . .

Czujniki grubowarstwowe i LTCC zalety, wady

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,

- . . .

Czujnik pomiarowy

LTCC – czujniki i przetworniki

czujniki temperatury

czujniki ciśnienia

czujniki gazu

układy grzejne

układy chłodzące

czujniki przepływu

czujniki odległości

mikrozawory

mikropompy

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

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

RT = L/(k A)

A – pole przekroju L – długość,

k - przewodność cieplna RT - oporność cieplna

Klasyfikacja czujników temperatury

GENERACYJNE TERMOPARY

ELEKTRYCZNE

PARAMETRYCZNE TERMISTORY

TERMOREZYSTORY

TERMODIODY

TERMOTRANZYSTORY

GENERACYJNE

NIEELEKTRYCZNE

PARAMETRYCZNE TERMOMETRY

WSKAŹNIKI

ŚWIATŁOWODY

SAW

J. Gardner

Zakres i rozdzielczość różnych czujników temperatury

J. Gardner

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 15 ÷ 1000 wzorcowy 0,00001

Termistor 4 ÷ 500 laboratoryjny 0,001

Złącze Si p-n 210 ÷ 430 laboratoryjny 0,1

Termopara 20 ÷ 2700 ogólny 1

Cz. radiacyjny 270 ÷ 5000 przemysłowy 2

Tradycyjne

Termometry gazowe 1,5 ÷ 1400 laboratoryjny 0,002

Termometry cieczowe 130 ÷ 950 ogólny 0,1

Termometry bimetaliczne 130 ÷ 700 przemysłowy 1 to 2

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

- . . .

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

A

Termopary

Efekt Seebecka (1821)

B

T

T0

eAB

eBA

Prosty obwód termoelektryczny

e – siła elektromotoryczna (V)

U0 – napięcie kontaktowe (V)

T, T0 – temperatura złączy

materiałów A i B (K)

αAB – współczynnik Seebecka

obwodu (V/K)

αA – współczynnik Seebecka mat. A

αB – współczynnik Seebecka mat. B

dla metali/stopów kilka-kilkanaście (mV/K)

dla półprzewodników do kilkuset (mV/K)ET – siła termoelektryczna (V)

TermoparySiły termoelektryczne różnych metali i stopów względem Pt w temperaturze 100oC, przy

temperaturze odniesienia 0oC

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)

+2,81

Rod +0,70

Termopary grubowarstwoweCzujnik temperatury

Markowski et al., Konf. IMAPS PL 2004

Termopara PdAg/TSG na LTCC

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

Rezystancyjne czujniki temperatury (RTD)

• Rezystancja przewodnika metalicznego rośnie

wraz z temperaturą

r(T) – rezystywność w temperaturze T (Wm)

r0 – rezystywność w temperaturze odniesienia T0 (Wm)

a - temperaturowy wsp. rezystywności

• Materiały używane do produkcji RTD

platyna

miedź

nikiel

wolfram

złoto, srebro

Temperatura (oC)R

(T)/

R0

Pt (lity) TWR = 3920 ppm/K

Pt TWR = 2500 ppm/K

PdAg TWR = 430 ppm/K

PtAu TWR = 380 ppm/K

Kita, PhD dissertation 2003

0 200 400 600 800 10001

2

3

4

Temperatura [°C]

R/R

0

Pt

PdAg

PtAu

Rezystancyjne czujniki temperatury (RTD)

Temperaturowy wsp. rezystancji (TWR)

www.dostmann-electronic.ie

Termistory grubowarstwowe PTC

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

gdzie: RTo, To - stałe

T - temperatura [K]

B - stała materiałowa

Termistor NTC

od -4 do -6 %/K

Warstwa termistorowa

Elektroda

Planarny Grzebieniowy

Kanapkowy (sandwich)

Przykłady konstrukcji termistorów grubowarstwowych

Termistory NTC

R = A exp (B/T)

A – stała rezystancyjna

B – stała materiałowa

tlenki Mn, Co, Ni . . .www.capgo.com

Termistory grubowarstwowe NTC

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

R

TPMAX

4

2

a

Topologia „kanapkowa”

n

PMAX – generowana moc

elektryczna

n – liczba termopar

α – współczynnik Seebecka

ΔT – różnica temperatury

między złączami

R – rezystancja termostosu

P. Markowski

Termopary grubowarstwoweGenerator termoelektryczny (termostos)

252 termopary

37 x 21 x 3 mm3

Uwy = 260 mV

Pwy = 220 mW

ΔT = 55°C

TRamiona

termopar:

Ag / PdAg

Podłoże:

ceramika

LTCC

(DP951)

P. Markowski

Termopary grubowarstwoweGenerator termoelektryczny (termostos)

Termostos Agfotodef/Ni

29 termopar

Szerokość ramion:

Ni – 250 μm

Ag – 90 μm

P. Markowski

Termopary grubowarstwoweGenerator termoelektryczny (termostos)

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

Gongora Rubio M.R. et al., Sens. & Act. 2001

Czujnik przepływu gazu

warstwa 4 warstwa 5 przekrój A-A

warstwa1 warstwa 2 warstwa 3

Gongora Rubio M.R. et al., Sens. & Act. 2001

Czujnik przepływu gazu

D.Jurków, H.Roguszczak

Czujnik przepływu gazu

Czujnik prędkości przepływu cieczy

W. Smetana, Konf. IMAPS PL 2005

Profil temperatury wzdłuż rury czujnika dla

prędkości przepływu v=0 i v=3 mm/min

Prototyp czujnika

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

Grzejnik/Czujnik temperatury

0 2 4 6 8 10 12 140

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

200oC/mm

tem

pera

tura

[oC

]

długość [mm]

0 2 4 6 8 10 12

100

200

300

400

500

600

2.0 2.5 3.0 3.5

tem

pera

tura

[oC

]

długość [mm]

5

oC

J. Kita, H. Teterycz

Czujnik gazu

Grzejnik/Czujnik temperatury

Czujnik gazu

J. Kita, H. Teterycz

Rezysta

ncja

(W

)

Temperatura (oC)

Tem

pera

tura

(oC

)

Moc (W)

Rezystancja grzejnika/czujnika

w funkcji temperatury

Temperatura czujnika w funkcji mocy

dostarczanej do grzejnika

2800 ppm/oC

0 2 4 6 8 10 12 140

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

200oC/mm

tem

pera

tura

[oC

]

długość [mm]

0 2 4 6 8 10 12

100

200

300

400

500

600

2.0 2.5 3.0 3.5

tem

pera

tura

[oC

]

długość [mm]

5

oC

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

Mikrorektor enzymatyczny

Mikroreaktor enzymatyczny

wykonany w ceramice DP951 oraz

CeramTec GC

Mikrokanały wygrawerowane

w ceramice LTCC (zdjęcie SEM)

Mikroreaktor enzymatyczny

(zdjęcie z tomografu rentgenowskiego)

Mikrorektor enzymatyczny

CO2 + 2NH4+ + 2OH-CO(NH2)2 + 3 H2O

ureaza

Największa wydajność dla T = 37oC

Czujnik temperatury

Rozkład temperatury na powierzchni

mikroreaktora (kamera IR)

Rezysta

ncja

(W

)

Temperatura (oC)

3500 ppm/oC

0,16 W/oC

Układ PCR(Polymerase Chain Reaction - Łańcuchowa Reakcja Polimerazy)

Układ PCR(Polymerase Chain Reaction - Łańcuchowa Reakcja Polimerazy)

Krzysztof Budniewski praca magisterska 2004

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

Partsch, Arndt, Georgi, 1st MacroNano Coll. on LTCC RF and Microsystem Int., Ilmenau 2006

Czujnik ciśnienia

Relative pressure-redundantPomiar względem ciśnienia otoczenia

Pomiar względem próżniPomiar różnicowy

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

8

7

6

5

4

3

2

1

Roguszczak and Golonka, COE 2000

Poszczególne warstwy LTCC tworzące

piezorezystancyjny czujnik ciśnienia

Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia

Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia

Partsch et al., 2007

Santo Zarnik et al., 2012

Maeder et al., 2010

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

Pojemnościowy czujnik ciśnienia

Belavic et al., 2007

Zasada działania

Membrana

Elektroda 2

Elektroda 1

Wlot gazu

Ciśnienie

Pojemnościowy czujnik ciśnienia

Belavic et al., 2009

Membrana

Elektrody

Wnęka

Wlot gazu

Pojemnościowy czujnik ciśnienia

wykonany techniką LTCC

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

Rezonansowy czujnik ciśnienia

Membrana

Materiał piezoelektryczny

z naniesionymi elektrodami

LTCC

Wnęka

Widok z góryLTCC

Materiał

piezoelektryczny

z naniesionymi

elektrodami

Membrana

Y - moduł Younga (MPa)

r - gęstość (kg/m3)

v - współczynnik Poissona

t - grubość membrany (m)

R - promień membrany (m)

Belavic et al., 2015

Rezonansowy czujnik ciśnienia

Rezonansowy czujnik ciśnienia

wykonany techniką LTCC

Belavic et al., 2015

Rezonansowy czujnik ciśnienia (bezprzewodowy)Zasada działania

Lin et al., 2018

Rezonansowy czujnik ciśnienia (bezprzewodowy)Pomiar

Bezprzewodowy rezonansowy

czujnik ciśnienia wykonany

techniką LTCC

Charakterystyka odbiciowa

czujnika ciśnienia

Lin et al., 2018

Rezonansowy czujnik ciśnienia (bezprzewodowy)Wpływ grubości membrany

Charakterystyki odbiciowe czujnika ciśnienia dla

różnej grubości membranyLin et al., 2018

Rezonansowy czujnik ciśnienia (bezprzewodowy)Wpływ grubości membrany

Lin et al., 2018

Ciśnienie (kPa)

Czujnik cieśnieniaWpływ grubości membrany

Lin et al., 2018

Ciśnienie (kPa)

czułość

grubość membrany

średnica membrany (4.5 mm)

pomiar

symulacja

Partsch et al., 2007

Czujnik cieśnieniaWpływ materiału membrany

Belavic et al., CICMT 2007

Materiał Czułość

Al2O3 13

LTCC 38

ZrO2 19

DOS (stal pokryta

dielektrykiem)13

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