2011-01-17

1

Podstawy elektroniki

Podstawy elektroniki

i energoelektroniki

i energoelektroniki

Wykład

Wykład 9

9

Czujniki półprzewodnikowe

Czujniki półprzewodnikowe

dr in

ż

. Andrzej Kociubi

ń

ski

dr in

ż

. Andrzej Kociubi

ń

ski

grudzie

ń

grudzie

ń

2010

2010

Dzisiaj na wykładzie...

Dzisiaj na wykładzie...

troch

ę

o zastosowaniach czujników

troch

ę

o definicjach, parametrach i podziale czujników

troch

ę

o tym jak działaj

ą

czujniki

troch

ę

o wykorzystaniu czujników w przyszło

ś

ci

http://www.ett.bme.hu/sensedu/

Cel przeprowadzania pomiaru

Cel przeprowadzania pomiaru

Monitoring

Monitoring

–

– np

np.. pogody,

pogody, licznik

licznik zu

ż

ycia

zu

ż

ycia energii

energii elektrycznej

elektrycznej

Badania

Badania ii rozwój

rozwój

–

– badanie

badanie zjawisk,

zjawisk, poznawanie

poznawanie nowych

nowych

technologii

technologii ii produktów

produktów

Metrologia

Metrologia

–

– kalibracja

kalibracja ii legalizacja

legalizacja

Sterowanie

Sterowanie

–

–

pomiar

pomiar

sygnału

sygnału

wyj

ś

ciowego

wyj

ś

ciowego

po

po

jego

jego

przetworzeniu

przetworzeniu umo

ż

liwia

umo

ż

liwia korekcja

korekcja sygnału

sygnału wej

ś

ciowego

wej

ś

ciowego lub

lub

decyzj

ę

decyzj

ę

sterownika

sterownika (sprz

ęż

enie

(sprz

ęż

enie zwrotne)

zwrotne) –

– np

np.. klimatyzacja

klimatyzacja

Podział pomiarów

Podział pomiarów

Pomiar

Pomiar bezpo

ś

redni

bezpo

ś

redni

–

– miernik

miernik dokonuje

dokonuje pomiaru

pomiaru wielko

ś

ci,

wielko

ś

ci,

która

która jest

jest obiektem

obiektem naszego

naszego zainteresowania

zainteresowania –

– np

np.. termometr

termometr

rt

ę

ciowy

rt

ę

ciowy podaje

podaje nam

nam wysoko

ść

wysoko

ść

temperatury

temperatury..

Pomiar

Pomiar po

ś

redni

po

ś

redni

–

– wielko

ś

ci

wielko

ś

ci zmierzone

zmierzone bezpo

ś

rednio

bezpo

ś

rednio słu

żą

słu

żą

do

do

obliczenia

obliczenia

innych

innych

wielko

ś

ci,

wielko

ś

ci,

cz

ę

sto

cz

ę

sto

niemierzalnych

niemierzalnych

bezpo

ś

rednio

bezpo

ś

rednio –

– np

np.. mierzymy

mierzymy temperatur

ę

temperatur

ę

ii obj

ę

to

ść

obj

ę

to

ść

wody

wody a

a

robimy

robimy bilans

bilans cieplny

cieplny

W

W obu

obu przypadkach

przypadkach nale

ż

y

nale

ż

y przetworzy

ć

przetworzy

ć

sygnał

sygnał pomiarowy,

pomiarowy,

by

by uzyska

ć

uzyska

ć

z

z niego

niego informacj

ę

informacj

ę

..

Sensor

Sensor

powinien

powinien

mierzy

ć

mierzy

ć

wielko

ś

ci

wielko

ś

ci

fizyczne

fizyczne

lub

lub

chemiczne

chemiczne

nie

nie modyfikuj

ą

c

modyfikuj

ą

c własno

ś

ci

własno

ś

ci o

ś

rodka

o

ś

rodka

,, w

w którym

którym

jest

jest umieszczony

umieszczony (idealna

(idealna sonda)

sonda)..

Mikrosensory

Mikrosensory maj

ą

maj

ą

przewag

ę

przewag

ę

nad

nad tradycyjnymi

tradycyjnymi sensorami,

sensorami,

gdy

ż

gdy

ż

ze

ze wzgl

ę

du

wzgl

ę

du na

na mały

mały rozmiar

rozmiar s

ą

s

ą

mniej

mniej inwazyjne

inwazyjne ii

pracowa

ć

pracowa

ć

mog

ą

mog

ą

w

w bardzo

bardzo małej

małej przestrzeni

przestrzeni

(np

(np.. w

w

naczyniach

naczyniach

krwiono

ś

nych,

krwiono

ś

nych,

w

w

cylindrach

cylindrach

silników

silników

samochodowych)

samochodowych)..

Wła

ś

ciwo

ś

ci czujników

Wła

ś

ciwo

ś

ci czujników





Nie

Nie mo

ż

na

mo

ż

na zastosowa

ć

zastosowa

ć

czujnika

czujnika za

za 500

500$

$ w

w samochodzie

samochodzie –

–

mo

ż

na

mo

ż

na natomiast

natomiast zastosowa

ć

zastosowa

ć

czujnik

czujnik za

za 20

20$

$..





Czujnika

Czujnika

za

za

20

20$

$

nie

nie

mo

ż

na

mo

ż

na

zastosowa

ć

zastosowa

ć

w

w

prostych

prostych

urz

ą

dzeniach

urz

ą

dzeniach

wej

ś

ciowych

wej

ś

ciowych

komputera,

komputera,

ale

ale

mo

ż

na

mo

ż

na

zastosowa

ć

zastosowa

ć

czujnik

czujnik za

za 2

2$

$..

Wa

ż

ne te

ż

jest...

Wa

ż

ne te

ż

jest...

2011-01-17

2

Dzisiaj na wykładzie...

Dzisiaj na wykładzie...

troch

ę

o zastosowaniach czujników

troch

ę

o definicjach, parametrach i podziale czujników

troch

ę

o tym jak działaj

ą

czujniki

troch

ę

o wykorzystaniu czujników w przyszło

ś

ci

Czujnikiem

Czujnikiem

(sensor,

(sensor, detektor)

detektor) nazywamy

nazywamy urz

ą

dzenie,

urz

ą

dzenie, które

które

reaguje

reaguje (odpowiada)

(odpowiada) na

na fizyczny

fizyczny lub

lub chemiczny

chemiczny czynnik

czynnik

stymuluj

ą

cy

stymuluj

ą

cy (taki

(taki jak

jak ciepło,

ciepło,

ś

wiatło,

ś

wiatło, d

ź

wi

ę

k,

d

ź

wi

ę

k, ci

ś

nienie,

ci

ś

nienie, pole

pole

magnetyczne)

magnetyczne) ii przekazuje

przekazuje wynikaj

ą

cy

wynikaj

ą

cy z

z tego

tego oddziaływania

oddziaływania

sygnał

sygnał..

Sygnał

Sygnał

ten

ten mo

ż

e

mo

ż

e

by

ć

by

ć

zmierzony

zmierzony lub

lub u

ż

yty

u

ż

yty do

do

sterowania

sterowania..

Sensor

Sensor odbiera

odbiera sygnał

sygnał wej

ś

ciowy

wej

ś

ciowy ii zamienia

zamienia go

go na

na sygnał

sygnał

wyj

ś

ciowy,

wyj

ś

ciowy, przetwarza

przetwarza jeden

jeden rodzaj

rodzaj energii

energii w

w drug

ą

drug

ą

..

Definicje

Definicje -- czujnik

czujnik

Czujniki dowiaduj

ą

si

ę

czego

ś

o

ś

rodowisku

Czujniki dowiaduj

ą

si

ę

czego

ś

o

ś

rodowisku

Termin

Termin angielski

angielski a

actuation

ctuation odnosi

odnosi si

ę

si

ę

do

do czynno

ś

ci

czynno

ś

ci powodowania

powodowania

lub

lub przekazywania

przekazywania mechanicznego

mechanicznego ruchu,

ruchu, siły

siły lub

lub pracy

pracy przez

przez

urz

ą

dzenie

urz

ą

dzenie do

do jego

jego otoczenia

otoczenia w

w odpowiedzi

odpowiedzi na

na zmian

ę

zmian

ę

napi

ę

cia

napi

ę

cia

polaryzacji

polaryzacji lub

lub pr

ą

du

pr

ą

du płyn

ą

cego

płyn

ą

cego przez

przez to

to urz

ą

dzenie

urz

ą

dzenie.. Mikroaktory

Mikroaktory

oddziaływuj

ą

oddziaływuj

ą

z

z otoczeniem

otoczeniem.. Przykładami

Przykładami mikroaktorów

mikroaktorów s

ą

s

ą

::



mikropompy

mikropompy



wtryskarki

wtryskarki atramentu

atramentu



elementy

elementy komunikacji

komunikacji optycznej

optycznej



lustra

lustra skanuj

ą

ce

skanuj

ą

ce

Definicje

Definicje -- aktuator (aktor, siłownik)

aktuator (aktor, siłownik)

Aktuatory zmieniaj

ą

co

ś

w

ś

rodowisku

Aktuatory zmieniaj

ą

co

ś

w

ś

rodowisku

upompy

Przyrz

ą

dy stosowane jako

Przyrz

ą

dy stosowane jako

czujniki półprzewodnikowych

czujniki półprzewodnikowych

rezystory

rezystory

kondensatory

kondensatory

zł

ą

cza p

zł

ą

cza p--n, Schottky'ego heterozł

ą

cza

n, Schottky'ego heterozł

ą

cza

tranzystory bipolarne

tranzystory bipolarne

tranzystory polowe

tranzystory polowe

przyrz

ą

dy mikro

przyrz

ą

dy mikro--opto

opto--mechaniczne

mechaniczne

Oczekiwania

Oczekiwania zwi

ą

zane

zwi

ą

zane ze

ze zmniejszaniem

zmniejszaniem

rozmiarów

rozmiarów sensorów

sensorów s

ą

s

ą

takie

takie same

same jak

jak w

w

mikroelektronice

mikroelektronice::

••

zmniejszenie

zmniejszenie ceny

ceny

••

zwi

ę

kszenie

zwi

ę

kszenie niezawodno

ś

ci

niezawodno

ś

ci

••

poprawa

poprawa parametrów

parametrów pracy

pracy (np

(np.. szybko

ś

ci)

szybko

ś

ci)

••

nowe

nowe funkcje

funkcje ii zastosowania

zastosowania

Własno

ś

ci miniaturyzacji

Własno

ś

ci miniaturyzacji

Oddziaływanie

Oddziaływanie gazu

gazu z

z powierzchni

ą

powierzchni

ą

ciała

ciała stałego

stałego –

–

wi

ę

ksza

wi

ę

ksza czuło

ść

czuło

ść

sensorów

sensorów chemicznych

chemicznych

Szybkie

Szybkie

odprowadzanie

odprowadzanie

ciepła,

ciepła,

trudno

trudno

utrzyma

ć

utrzyma

ć

gradient

gradient temperatury

temperatury w

w mikroskali

mikroskali

Przepływ

Przepływ masy

masy nasyca

nasyca si

ę

si

ę

szybko

szybko w

w małej

małej obj

ę

to

ś

ci,

obj

ę

to

ś

ci,

równowaga

równowaga

ustala

ustala

si

ę

si

ę

szybko,

szybko,

trudno

trudno

utrzyma

ć

utrzyma

ć

gradient

gradient koncentracji

koncentracji

Zanieczyszczenie

Zanieczyszczenie powierzchni

powierzchni odgrywa

odgrywa du

żą

du

żą

rol

ę

rol

ę

w

w

mikroskali

mikroskali

Własno

ś

ci miniaturyzacji

Własno

ś

ci miniaturyzacji

2011-01-17

3

Technologie wspomagaj

ą

ce rozwój

Technologie wspomagaj

ą

ce rozwój

czujników

czujników

Optyka zintegrowana

Optyka zintegrowana

Urz

ą

dzenia bazuj

ą

ce na fotonicznej przerwie zabronionej

Urz

ą

dzenia bazuj

ą

ce na fotonicznej przerwie zabronionej

Ś

wiatłowody fotoniczne

Ś

wiatłowody fotoniczne

Monolityczne zintegrowane lasery

Monolityczne zintegrowane lasery

Integracja, wielofunkcyjno

ść

Integracja, wielofunkcyjno

ść

Obudowy + urz

ą

dzenia stabilizuj

ą

ce prac

ę

czujników (np.

Obudowy + urz

ą

dzenia stabilizuj

ą

ce prac

ę

czujników (np.

chłodzenie)

chłodzenie)

Sensory

Sensory

wymagaj

ą

ce

wymagaj

ą

ce

zasilania

zasilania

nazywamy

nazywamy

biernymi

biernymi

lub

lub

parametrycznymi,

parametrycznymi, np

np.. pojemno

ś

ciowe,

pojemno

ś

ciowe, rezystancyjne

rezystancyjne

Sensory

Sensory

czynne

czynne

lub

lub generacyjne

generacyjne generuj

ą

generuj

ą

sygnał

sygnał elektryczny

elektryczny

(napi

ę

cie)

(napi

ę

cie) pod

pod wpływem

wpływem zmian

zmian wielko

ś

ci

wielko

ś

ci mierzonej,

mierzonej, np

np.. termopary,

termopary,

sensory

sensory piezoelektryczne,

piezoelektryczne, fotowoltaiczne

fotowoltaiczne

Rodzaje czujników

Rodzaje czujników

fotodioda

fotodioda

fotorezystor

fotorezystor

typ

N

typ

P

o

ś

wietlenie

o

ś

wietlenie

A

półprzewodnik

o

ś

wietlenie

o

ś

wietlenie

A

czujnik

elektryczny

magnetyczny

chemiczny

termiczny

optyczny

mechaniczny

Rodzaje czujników

Rodzaje czujników

Analogowe

Jako sygnał wyj

ś

ciowy

otrzymujemy ci

ą

gły zbiór

warto

ś

ci zarówno w czasie

jak i w zmiennych
przestrzennych

Wi

ę

kszo

ść

wielko

ś

ci

mierzonych jest z natury
analogowa

Przykłady: temperatura,
przesuni

ę

cie, nat

ęż

enie

ś

wiatła

Cyfrowe

•

Sygnał wyj

ś

ciowy przybiera dyskretne

warto

ś

ci (wyst

ę

puje w postaci krokowej lub w

postaci stanów)

•

Sygnały cyfrowe s

ą

bardziej powtarzalne,

niezawodne i łatwiejsze do przesyłania

Przykłady

Przykłady:

: czytnik pozycji, detektor k

ą

ta

czytnik pozycji, detektor k

ą

ta

skr

ę

cenia lub momentu siły

skr

ę

cenia lub momentu siły

Wał

Koła z

ę

bate

Przesuni

ę

cie w czasie jest miar

ą

k

ą

ta skr

ę

cenia

Czujniki analogowe i cyfrowe

Czujniki analogowe i cyfrowe

Podział czujników

Podział czujników

ze wzgl

ę

du na obszary zastosowa

ń

ze wzgl

ę

du na obszary zastosowa

ń

ze wzgl

ę

du na wykorzystane zjawisko/efekt

ze wzgl

ę

du na wykorzystane zjawisko/efekt

(metoda pomiaru)

(metoda pomiaru)

ze wzgl

ę

du na mierzon

ą

wielko

ść

ze wzgl

ę

du na mierzon

ą

wielko

ść

ze wzgl

ę

du na technologi

ę

ze wzgl

ę

du na technologi

ę

Obszary zastosowa

ń

Obszary zastosowa

ń

zastosowania dla indywidualnego u

ż

ytkownika

zastosowania dla indywidualnego u

ż

ytkownika –

– dom,

dom,

samochód, zabawki, ...

samochód, zabawki, ...

zastosowania przemysłowe

zastosowania przemysłowe –

– monitoring i bezpiecze

ń

stwo,

monitoring i bezpiecze

ń

stwo,

oszcz

ę

dno

ść

energii, zast. specjalistyczne, ...

oszcz

ę

dno

ść

energii, zast. specjalistyczne, ...

systemy IT

systemy IT –

– interfejs we/wy

interfejs we/wy

monitoring

ś

rodowiska

monitoring

ś

rodowiska –

– pogoda, zanieczyszczenia, ...

pogoda, zanieczyszczenia, ...

zastosowania medyczne, biotechnologiczne

zastosowania medyczne, biotechnologiczne –

– bardzo du

ż

o

bardzo du

ż

o

zastosowania wojskowe

zastosowania wojskowe –

– wykrywanie gazów bojowych, ...

wykrywanie gazów bojowych, ...

...

...

2011-01-17

4

Si

Efekt polowy

Biosensory

Si

Tlenki metalu (SnO

2

, ZnO)

Efekt polowy

Zmiana przewodnictwa
elektrycznego

Sensory chemiczne

Si, Ge, GaAs,PbS, PbSe, PbTe,
PbSnTe,InSb,HgCdTe,CdS,CdSe,CdTe

Fotoefekt

Sensory optyczne

Si, GaAs,InSb

Efekt Halla

Sensory pola
magnetycznego

Si

Si

Si,Ge

Temperaturowa zale

ż

no

ść

rezystywno

ś

ci

Temperaturowa zale

ż

no

ść

napi

ę

cia progowego zł

ą

cza p-n

Efekt termoelektryczny

Sensory temperatury

Si (mono lub polikryształ)

ZnO

Efekt piezorezystancyjny

Efekt piezoelektryczny

Sensory ci

ś

nienia,

przyspieszenia, siły

Materiał

Zjawisko fizyczne

Rodzaj sensora

Klasyfikacja wg metody pomiaru

Klasyfikacja wg metody pomiaru

Wielko

ść

mierzona

••

Akustyczna

Akustyczna

(amplituda

(amplituda

fali,

fali,

faza,

faza,

polaryzacja,

polaryzacja,

widmo,

widmo,

pr

ę

dko

ść

)

pr

ę

dko

ść

)

••

Biologiczna

Biologiczna

(biomasa

(biomasa:: elementy,

elementy, koncentracje,

koncentracje, stany)

stany)

••

Chemiczna

Chemiczna

(zwi

ą

zki

(zwi

ą

zki:: elementy,

elementy, koncentracje,

koncentracje, stany)

stany)

••

Elektryczna

Elektryczna

(ładunek,

(ładunek, nat

ęż

enie

nat

ęż

enie pr

ą

du,

pr

ą

du, potencjał,

potencjał, napi

ę

cie,

napi

ę

cie,

pole

pole elektryczne,

elektryczne, przewodnictwo,

przewodnictwo, przenikalno

ść

)

przenikalno

ść

)

R

R.. M

M.. White,

White, A

A sensor

sensor classification

classification scheme

scheme,, IEEE

IEEE Trans

Trans.. Ultrason

Ultrason.. Ferroelec

Ferroelec.. Freq

Freq.. Contr

Contr..,,

UFFC

UFFC--34

34,, 124

124 ((1987

1987))

Klasyfikacja wg White'a

Klasyfikacja wg White'a

••

Magnetyczna

Magnetyczna

(pole

(pole magnetyczne

magnetyczne:: jego

jego amplituda,

amplituda, faza,

faza,

polaryzacja,

polaryzacja, strumie

ń

strumie

ń

magnetyczny,

magnetyczny, przenikalno

ść

przenikalno

ść

magn

magn..))

••

Mechaniczna

Mechaniczna

(poło

ż

enie

(poło

ż

enie:: liniowe

liniowe lub

lub k

ą

towe,

k

ą

towe, pr

ę

dko

ść

,

pr

ę

dko

ść

,

przyspieszenie,

przyspieszenie, siła,

siła, napr

ęż

enie,

napr

ęż

enie, ci

ś

nienie,

ci

ś

nienie, odkształcenie,

odkształcenie,

masa,

masa, g

ę

sto

ść

,

g

ę

sto

ść

, moment

moment siły,

siły, przepływ,

przepływ, szybko

ść

szybko

ść

transportu

transportu

masy,

masy,

nierówno

ś

ci

nierówno

ś

ci

powierzchni,

powierzchni,

orientacja,

orientacja,

sztywno

ść

,

sztywno

ść

,

lepko

ść

)

lepko

ść

)

••

Optyczna

Optyczna

(amplituda

(amplituda

fali,

fali,

faza,

faza,

polaryzacja,

polaryzacja,

widmo,

widmo,

pr

ę

dko

ść

)

pr

ę

dko

ść

)

••

Radiacyjna

Radiacyjna

(rodzaj,

(rodzaj, energia,

energia, nat

ęż

enie)

nat

ęż

enie)

••

Termiczna

Termiczna

(temperatura,

(temperatura, strumie

ń

strumie

ń

ciepła,

ciepła, ciepło

ciepło wła

ś

ciwe,

wła

ś

ciwe,

przewodnictwo

przewodnictwo termiczne)

termiczne)

Klasyfikacja wg White'a

Klasyfikacja wg White'a

Liniowo

ść

charakterystyki

Liniowo

ść

charakterystyki = miara odległo

ś

ci pomi

ę

dzy

krzyw

ą

kalibracyjn

ą

a wybran

ą

lini

ą

prost

ą

. Liniowo

ść

jest

mierzona jako maksymalne odchylenie dowolnego punktu
krzywej kalibracyjnej od linii prostej ustalonej podczas
jednego cyklu procedury kalibracyjnej. Jest wyra

ż

ana w %

FSO. Je

ż

eli ustalona linia prosta ł

ą

czy dwa punkty skrajne

(0 i 100%) to wynik tej procedury nazywamy: end-point or
terminal-based linearity

Histereza

Histereza = maksymalna ró

ż

nica w sygnale wyj

ś

ciowym

dla dowolnej warto

ś

ci mierzonej w zakresie, kiedy wielko

ść

ta jest osi

ą

gana najpierw przy wzro

ś

cie a nast

ę

pnie przy

zmniejszaniu sygnału wej

ś

ciowego. Jest wyra

ż

ana w %

FSO.

Parametry czujników

Parametry czujników

FSO (ang. Full Scale Output) - pełny zakres
sygnału wyj

ś

ciowego = algebraiczna ró

ż

nica

pomi

ę

dzy skrajnymi warto

ś

ciami sygnału

wyj

ś

ciowego (odpowiedzi)

Powtarzalno

ść

Powtarzalno

ść

= zdolno

ść

sensora do odtwarzania warto

ś

ci

wyj

ś

ciowych w temperaturze pokojowej, dla tej samej

wielko

ś

ci mierzonej w warunkach kolejnych powtórze

ń

eksperymentu w tym samym kierunku. Jest wyra

ż

ana jako

maksymalna ró

ż

nica warto

ś

ci wyj

ś

ciowych w kolejnych

cyklach kalibracyjnych. Podawana jako „w zakresie x%” FSO

Rozdzielczo

ść

Rozdzielczo

ść

= najmniejszy przyrost wielko

ś

ci mierzonej

konieczny do uzyskania zauwa

ż

alnej zmiany wielko

ś

ci

wyj

ś

ciowej. Kiedy przyrost wielko

ś

ci mierzonej jest

odniesiony do zera, ten parametr nosi nazw

ę

progu

(

threshold)

Parametry czujników

Parametry czujników

Selektywno

ść

Selektywno

ść

= zdolno

ść

do pomiaru jednej wielko

ś

ci w

obecno

ś

ci innych wielko

ś

ci (np. wodoru w obecno

ś

ci CO)

Czuło

ść

Czuło

ść

= stosunek zmiany wielko

ś

ci wyj

ś

ciowej do

zmiany wielko

ś

ci mierzonej (wej

ś

ciowej). Jej miar

ą

jest

nachylenie krzywej kalibracji. Dla sensora, którego sygnał
wyj

ś

ciowy jest zwi

ą

zany z wielko

ś

ci

ą

mierzon

ą

x

równaniem y=f(x), czuło

ść

S(x

a

), w punkcie x

a

, wyra

ż

a si

ę

jako:

a

x

x

a

dx

dy

)

x

(

S

=

=

Wskazanym jest d

ąż

enie do du

ż

ej i mo

ż

liwie stałej czuło

ś

ci (

ś

ci

ś

le stał

ą

warto

ść

otrzymuje

si

ę

dla y=ax+b)

Parametry czujników

Parametry czujników

2011-01-17

5

Czas odpowiedzi

Czas odpowiedzi = czas ,dla którego sygnał wyj

ś

ciowy

osi

ą

ga 63% (tj. 1/e) swojej warto

ś

ci ko

ń

cowej w odpowiedzi

na zmian

ę

skokow

ą

wielko

ś

ci mierzonej

Stabilno

ść

Stabilno

ść

= zdolno

ść

sensora do utrzymania swojej

charakterystyki pomiarowej przez okre

ś

lony czas. Cz

ę

sto

stabilno

ść

okre

ś

la si

ę

jako zdolno

ść

sensora do odtwarzania

warto

ś

ci wyj

ś

ciowych otrzymanych podczas kalibracji

pocz

ą

tkowej, w temperaturze pokojowej, w okre

ś

lonym

przedziale czasu. Zazwyczaj wyra

ż

ana w % FSO

Parametry czujników

Parametry czujników

Format sygnału wyj

ś

ci

Format sygnału wyj

ś

ciowego = zazwyczaj wielko

ś

ci

elektrycznej, sygnał analogowy (amplituda napi

ę

cia, stosunek

napi

ęć

, zmiany pojemno

ś

ci) lub sygnał cyfrowy (binary code)

Charakterystyka przeci

ąż

enia

Charakterystyka przeci

ąż

enia. Przeci

ąż

enie (lub

przekroczenie zakresu pomiarowego) jest to maksymalna
warto

ść

sygnału wej

ś

ciowego, któr

ą

mo

ż

na poda

ć

na sensor

nie powoduj

ą

c zmiany jego działania okre

ś

lonej tolerancj

ą

Czas powrotu

Czas powrotu = czas potrzebny na to, aby po usuni

ę

ciu

przeci

ąż

enia sensor pracował znowu w granicach

okre

ś

lonych tolerancj

ą

Parametry czujników

Parametry czujników

Dokładno

ść

a precyzja

Dokładno

ść

a precyzja

du

ż

a dokładno

ść

du

ż

a dokładno

ść

du

ż

a precyzja

du

ż

a precyzja

mała dokładno

ść

mała dokładno

ść

du

ż

a precyzja

du

ż

a precyzja

mała dokładno

ść

mała dokładno

ść

mała precyzja

mała precyzja

Dzisiaj na wykładzie...

Dzisiaj na wykładzie...

troch

ę

o zastosowaniach czujników

troch

ę

o definicjach, parametrach i podziale czujników

troch

ę

o tym jak działaj

ą

czujniki

troch

ę

o wykorzystaniu czujników w przyszło

ś

ci

Termistory - rezystory półprzewodnikowe, których

rezystancja elektryczna silnie zale

ż

y od temperatury.

Rozró

ż

nia si

ę

termistory z ujemnym współczynnikiem

temperaturowym (NTC, CTR) i z dodatnim (PTC).

Czujniki zł

ą

czowe - wykorzystuj

ą

ce zale

ż

no

ść

spadku napi

ę

cia na zł

ą

czu p-n od temperatury (k

TUF

≈

-

2mV/K).

Czujniki temperatury

Czujniki temperatury

termistor

Detektory termiczne

Detektory termiczne

Termopara, piroelektryczny, ir-mems

2011-01-17

6

•

Foto-rezystory

•

Fotodiody

•

Fototranzystory

•

Foto-tyrystory

•

Wizyjne przetworniki obrazu

Fotoelementy

Fotoelementy

- rezystory półprzewodnikowe, których rezystancja zmienia

si

ę

pod wpływem o

ś

wietlenia,

- najcz

ęś

ciej wykonuje si

ę

je z takich materiałów

półprzewodnikowych jak: CdS, PbS, CdSe,PbSe, PbTe,

InSb oraz Ge.

Foto-rezystory z CdS, CdSe - na zakres widzialny.

Foto-rezystory z PbS, PbSe, Ge, InSb - na podczerwie

ń

.

Fotorezystory

Fotorezystory

Fototranzystor

Fototranzystor

To tranzystor bipolarny, ró

ż

ni

ą

cy si

ę

od zwykłych tym,

ż

e

obszar jego bazy mo

ż

e by

ć

o

ś

wietlony i nie zawsze

ko

ń

cówka bazy jest wyprowadzona na zewn

ą

trz.

Pod wpływem

ś

wiatła generowane s

ą

w bazie tranzystora

NPN dodatkowe pary elektron-dziura, z których elektrony s

ą

bezpo

ś

rednio odbierane przez kolektor, natomiast dziury,

ładuj

ą

c baz

ę

, obni

ż

aj

ą

barier

ę

potencjału zł

ą

cza

emiterowego.

To rezystory półprzewodnikowe, których

rezystancja znacz

ą

co zale

ż

y od

deformacji spowodowanych

napr

ęż

eniami mechanicznymi.

Wykonuje si

ę

je zwykle z

monokrystalicznego Si.

Dyskretne piezorezystory stosuje si

ę

jako

tensometry półprzewodnikowe

.

Piezorezystory głównie wykorzystuje

si

ę

w

monolitycznych czujnikach

ci

ś

nienia.

Piezorezystor

Piezorezystor

Piezorezystywny

p

Si

Układ

piezorezystancyjny

Piezorezystor w czujniku ci

ś

nienia

Piezorezystor w czujniku ci

ś

nienia

piezorezystor

Czujnik przy

ś

pieszenia

Czujnik przy

ś

pieszenia

Czujnik przyspieszenia

2011-01-17

7

ISFET

- Ion-Selective FET

GasFET

- Gas-Sensitive FET

HumFET

- Humidity-Sensitive FET

Czujnik chemiczny z efektem polowym

Czujnik chemiczny z efektem polowym

ISFET

Czujnik chemiczny z efektem polowym

Czujnik chemiczny z efektem polowym

ISFET

- Ion-Selective FET

Detektory optyczne

Detektory optyczne

Efekt fotoelektryczny

Efekt fotoelektryczny, zjawisko fotoelektryczne

, zjawisko fotoelektryczne –

– zjawisko fizyczne

zjawisko fizyczne

polegaj

ą

ce na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu (tzw.

polegaj

ą

ce na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu (tzw.

efekt

efekt

zewn

ę

trzny

zewn

ę

trzny

) lub na przeniesieniu no

ś

ników ładunku elektrycznego

) lub na przeniesieniu no

ś

ników ładunku elektrycznego

pomi

ę

dzy pasmami energetycznymi (tzw.

pomi

ę

dzy pasmami energetycznymi (tzw.

efekt wewn

ę

trzny

efekt wewn

ę

trzny

), po

), po

na

ś

wietleniu jej promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład

na

ś

wietleniu jej promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład

ś

wiatłem widzialnym) o odpowiedniej cz

ę

stotliwo

ś

ci.

ś

wiatłem widzialnym) o odpowiedniej cz

ę

stotliwo

ś

ci.

Detektory optyczne

Detektory optyczne

Podział

Podział

detektorów

detektorów

optycznych

optycznych ze

ze wzgl

ę

du

wzgl

ę

du na

na oddziaływanie

oddziaływanie

promieniowania

promieniowania elektromagnetycznego

elektromagnetycznego z

z materi

ą

materi

ą

::

detektory

detektory fotonowe

fotonowe

–

– fotony

fotony oddziaływaj

ą

oddziaływaj

ą

z

z elektronami

elektronami sieci

sieci

krystalicznej

krystalicznej lub

lub elektronami

elektronami zwi

ą

zanymi

zwi

ą

zanymi z

z atomami

atomami domieszek

domieszek

detektory

detektory termiczne

termiczne

-- absorpcja

absorpcja promieniowania

promieniowania powoduje

powoduje wzrost

wzrost

temperatury

temperatury ii w

w konsekwencji

konsekwencji równie

ż

równie

ż

zmian

ę

zmian

ę

pewnych

pewnych wła

ś

ciwo

ś

ci

wła

ś

ciwo

ś

ci

materiału

materiału

detektory

detektory falowe

falowe

–

– oddziaływanie

oddziaływanie pola

pola elektromagnetycznego

elektromagnetycznego

powoduje

powoduje zmian

ę

zmian

ę

pewnych

pewnych obj

ę

to

ś

ciowych

obj

ę

to

ś

ciowych wła

ś

ciwo

ś

ci

wła

ś

ciwo

ś

ci materiału

materiału

Układ scalony

Detektor

Detektory fotonowe

Detektory fotonowe

typ N

typ P

I

V+

warstwa zubo

ż

ona

radiacja

Detektor CCD (Charge Coupled Device)

Detektor CCD (Charge Coupled Device)

CCD

2011-01-17

8

Detektor CMOS

Detektor CMOS

hall, hall-tr

Detektory magnetyczne

Detektory magnetyczne

Zjawisko Halla polega na "zamianie" strumienia indukcji magnetycznej B w napi

ę

cie

Zjawisko Halla polega na "zamianie" strumienia indukcji magnetycznej B w napi

ę

cie

V

V

H

H

przez płytk

ę

wst

ę

pnie spolaryzowan

ą

pr

ą

dem I

przez płytk

ę

wst

ę

pnie spolaryzowan

ą

pr

ą

dem I

C

C

..

Przez cienk

ą

półprzewodnikow

ą

płytk

ę

przepływa wzdłu

ż

pr

ą

d. Strumie

ń

indukcji

Przez cienk

ą

półprzewodnikow

ą

płytk

ę

przepływa wzdłu

ż

pr

ą

d. Strumie

ń

indukcji

generuje sił

ą

Loretza prostopadł

ą

do kierunku przepływu ładunków tworz

ą

cych

generuje sił

ą

Loretza prostopadł

ą

do kierunku przepływu ładunków tworz

ą

cych

pr

ą

d. To powoduje zmian

ę

liczby ładunków na obu ko

ń

cach płytki, czyli ró

ż

nic

ę

pr

ą

d. To powoduje zmian

ę

liczby ładunków na obu ko

ń

cach płytki, czyli ró

ż

nic

ę

potencjałów tworz

ą

cych napi

ę

cie Halla V

potencjałów tworz

ą

cych napi

ę

cie Halla V

H

H

..

Antigen

Silicon

Antibody

Biosensory

Biosensory

Komórka nerwowa mózgu szczura na chipie
krzemowym.

Na powierzchni chipu znajduje si

ę

termiczny

dwutlenek krzemu (

zielony

). Bramki (bez elektrody)

liniowej matrycy tranzystorów polowych s

ą

widoczne jako ciemne kwadraty.

Neuron (

niebieski

) został wyhodowany na chipie w

elektrolicie w ci

ą

gu kilku dni.

Max-Planck-Institute for Biochemistry

10

µ

m

Dzisiaj na wykładzie...

Dzisiaj na wykładzie...

troch

ę

o zastosowaniach czujników

troch

ę

o definicjach, parametrach i podziale

czujników

troch

ę

o tym jak działaj

ą

czujniki

troch

ę

o wykorzystaniu czujników w przyszło

ś

ci

Roll-over sensor

Smart rear-view mirror

Seat occupant detector

Accelerometers for front and side airbags

Oil level sensor

Surround Sensing System

Back distance warning radar

Head lamp levelling device

Oil quality sensor

Suspension acceleration sensor

Seat memory

Wheel speed sensor for ABS

Tire pressure sensor



ABS



ASR



ESP

Inteligentny samochód

Inteligentny samochód

Inteligentny samochód

Inteligentny samochód

2011-01-17

9

“

“Karaluch

Karaluch ma

ma ok

ok.. 30

30..000

000 włosków,

włosków, z

z których

których ka

ż

dy

ka

ż

dy jest

jest sensorem

sensorem..

Najbardziej

Najbardziej zło

ż

ony

zło

ż

ony robot,

robot, który

który zbudowali

ś

my,

zbudowali

ś

my, miał

miał 150

150 sensorów

sensorów a

a ii

to

to (tj

(tj.. stopie

ń

stopie

ń

zło

ż

ono

ś

ci)

zło

ż

ono

ś

ci) omal

ż

e

omal

ż

e nas

nas nie

nie zabiło

zabiło.. Nie

Nie mo

ż

emy

mo

ż

emy

oczekiwa

ć

oczekiwa

ć

działania

działania podobnego

podobnego zwierz

ę

tom

zwierz

ę

tom je

ż

eli

je

ż

eli nie

nie pokonamy

pokonamy tej

tej

sensorowej

sensorowej bariery

bariery..”

”

-- Rodney Brooks, „Fast, Cheap & Out of Control”

Rodney A. Brooks

Rodney A. Brooks -- D

Dy

yre

rek

ktor

tor „T

„The MIT Computer Science

he MIT Computer Science

and Artificial Intelligence Laboratory

and Artificial Intelligence Laboratory”

”

Mikrosystemy a Natura

Mikrosystemy a Natura