Senzory a senzorové systémy Přednášející: Doc. Dr. Ing. Martin Vrňata (budova B, č. dveří 216 c) Ing. Filip Vysloužil PhD (budova B, č. dveří 216 c) Studijní texty na internetu: http://www.vscht.cz/ufmt - elektronické učební pomůcky Ostatní studijní texty (jen výběrově): P. Ripka, S. Ďaďo, M. Kreidl, J. Novák: Senzory a převodníky nakladatelství ČVUT (2005) V. Haasz, M. Sedláček: Elektrická měření – přístroje a metody

Základní pojmy Senzor – definice ANSI (American National Standards Institute) Zařízení, které poskytuje využitelný signál odpovídající měřené veličině. Terminologické nesrovnalosti angličtina čeština sensor senzor (sensor) transducer snímač transmitter čidlo detector převodník .... meter detektor gauge sonda cell instrument probe

Historie používání senzorů 1860 – Wilhelm von Siemens – Cu drát s teplotně závislým odporem chemické senzory: 1923 – vynalezen katalytický spalovací senzor plynů 1930 – praktické použití skleněné elektrody pro měření pH 1961 – praktické použití iontově selektivních elektrod 1964 – piezoelektrický krystalový senzor 1966 – funkční senzor glukózy 1967 – praktické použití polovodičových senzorů plynů 1970 – první fungující ISFET 1970 – optovláknový senzor plynů 1976 – začátek používání λ-sond v automobilech 1977 – sestaven „enzymový“ FET 90. léta – praktické aplikace senzorů s imobilizovanými enzymy současnost – intenzivní výzkum senzorů se samoskladnými vrstvami a nanokompozity

Klasifikace senzorů – přehled kritérií vstupní - měřená veličina (primární vstupní signál, senzor čeho) princip senzoru (princip převodu změny vstupní veličiny na změnu veličiny výstupní, jaký senzor) výstupní veličina aktivní nebo pasivní senzor (je či není zdrojem energie) způsob výroby (technologie a materiál) aplikace (průmysl, metrologie, ochrana životního prostředí, medicína) cena (sériovost a náročnost výroby, životnost senzoru)

Klasifikace senzorů senzor a) podle vstupní veličiny princip detekce výstupní veličina vstupní (snímaná) senzor a) podle vstupní veličiny senzory fyzikálních veličin mechanických (poloha, otáčky, tlak) tepelných (teplota, tepelný tok) magnetických (magnetická indukce) radiačních (intenzita záření, pyrometry) senzory chemických a biologických veličin důkaz nebo stanovení chemické látky biosenzory u těchto senzorů důležité rozlišení na plynové a kapalinové

Klasifikace senzorů b) podle principu senzoru podle fyzikálního principu detekce se jednotlivé skupiny pojmenovávají (senzory odporové, kapacitní, indukčnostní, piezoelektrické, optovláknové apod.) c) podle výstupní veličiny výstupní veličina se také označuje jako nosič informace mechanická optická elektrická (nejvýhodnější případ z hlediska zpracování signálu) – analogová x číslicová d) senzory s elektrickou výstupní veličinou jsou pak aktivní (termočlánek, fotovoltaický článek) – zdroje energie – jejich stav je popsán vstupem a výstupem – 2 dimenze pasivní – nazývané též modulující – všechny ostatní – jejich stav je popsán vstupem, výstupem a velikostí napájení – 3 dimenze

Klasifikace senzorů e) podle způsobu výroby klasická polovodičová technologie (epitaxe, litografické techniky) tlustovrstvé technologie (> 1 μm) sítotisk tenkovrstvé technologie (< 1 μm) laserová depozice nanotechnologie (monomolekulární úroveň) samoskladné – self-assembly layers způsob výroby závisí i na chemickém složení (kov, oxid kovu, organická monomolekulární látka, polymer), chemické čistotě a kvalitě (např. optical grade) aktivního prostředí senzoru podstatný je vliv stupně integrace vyráběného senzoru (pouze snímač x IS x ISS x „lab on chip“)

Klasifikace senzorů f) podle aplikace a ceny Vývoj senzorů primárně sleduje požadavky trhu. (Pro základní výzkum to striktně neplatí.)

= senzor + zpracování signálu Senzorový systém = senzor + zpracování signálu obsahuje následující komponenty: vlastní senzor (snímač) měřicí obvod a zesilovač obvody pro zpracování signálu A/Č – analogově číslicový převodník (+vzorkovací zesilovače) MP – jednočipový mikropočítač P – nadřazený výpočetní systém R – rozhraní podle stupně integrace těchto komponent rozlišujeme: integrovaný senzor (IS), inteligentní integrovaný senzor (ISS), inteligentní integrovaný senzor s mikroprocesorem (ISS+μP) – v tomto posledním případě je senzor + zpracování + analýza signálu v kompaktním provedení

Klasický měřicí řetězec

Základní vlastnosti inteligentních senzorů obousměrná komunikace s okolím přítomnost číslicové části diagnostika stavu senzoru schopnost autokalibrace senzoru možnost korekce chyb (příp. linearizace) výstup: číslicový analogový kombinovaný

Požadavky na IS v různých aplikacích Metrologické přesnost od 0,5 % do 0,1 %, rychlá reakční doba linearizace, teplotní kompenzace a výstupní proudový (napěťový) unifikovaný signál, velmi přesný měřicí převodník (jednoúčelový, programovatelný) přestavitelnost rozpětí základního rozsahu primární zpracování signálů v blízkosti místa měření

Požadavky na IS v různých aplikacích Provozní „bezúdržbové“ měřicí členy: elektronické komponenty integrované na jednom plošném spoji, technologie ASIC, galvanické oddělení vstupních a výstupních obvodů - provozní stabilita několik let dálková diagnostika, statistické monitorování měřicího procesu (vyhledávání poruch, počet zbytečných zásahů) výstup: 4-20mA, Hart, Profibus, rychlostní Fondation Fieldbus, atd. jednoduché a rychlé změny vlastností a nastavování parametrů v provozu pomocí nastavovací jednotky nebo počítače, EEx, EMC (předpěťové ochrany), IP (až 65)

Požadavky na IS v různých aplikacích Ekonomické příznivý poměr ceny k výkonu při zachování vysoké kvality a spolehlivosti prvků testování a kalibrace přístrojů ve výrobním závodě expertní softvarové programy, podpory údržby Mechanická konstrukce malé rozměry, uzavřená a stavebnicová konstrukce, nenáročná instalace hermeticky uzavřená konstrukce: snímačová jednotka, elektronika a připájecí svorkovnice

Uspořádání senzorového systému Mikrosenzor jako samostatné zařízení může zahrnovat jakoukoli část ve směru zleva doprava. Konkrétní uspořádání je dáno dostupnou technologií výroby a požadovanou aplikací mikrosenzoru.

Statické parametry senzorů a) statická charakteristika závislost výstupní veličiny na vstupní veličině v ustáleném stavu tj. y = f(x) b) přesnost; exaktnost (accuracy) těsnost shody výsledku měření a přijaté referenční (konvenčně pravé, správné) hodnoty c) chyba; nepřesnost (error; inaccuracy) náhodná + systematická (random + systematic) absolutní Δy = yn – yr (n - naměřené, r - referenční) relativní δy = (yn – yr) / yr

Vztah mezi chybou senzoru (tj Vztah mezi chybou senzoru (tj. statickým parametrem c) a chybou celého měření.

Statické parametry senzorů v praxi se relativní chyba často vyjadřuje ve vztahu k celkovému rozsahu výstupu δfsoy = (yn – yr) / yfso (yfso – full scale output – celkový rozsah) pak platí relace | δfsoy | ≤ | δy | d) shodnost; precisnost (precision) vyjadřuje pouze vliv náhodné chyby na rozptyl výsledků e) opakovatelnost (repeatibility) v krátkém časovém období za jinak stejných podmínek f) reprodukovatelnost (reproducibility) táž metoda nebo týž senzor v různých laboratořích

Statické parametry senzorů g) rozlišovací schopnost (resolution) u senzorů obvykle R% = 100 * min (Δx) / (xmax- xmin) h) citlivost; zesílení; zisk (sensitivity) S = Δy / Δx u nelineárních charakteristik závisí na pracovním bodu a kromě toho vždy na parazitních veličinách z tedy exaktnější definice . i) krátkodobá nestabilita; frekvenční šum (noise) jedná se vlastně o střední kvadratickou chybu (neboli efektivní hodnotu šumu senzoru) T = doba měření

Statické parametry senzorů střední (integrální) hodnota je definována jako šum může být externí x interní (napájení, teplota atd.) j) limit detekce (minimum detectable signal - MDS) podle světové uzance taková hodnota vstupu, při které je na výstupu senzoru signál odpovídající trojnásobku hodnoty šumu cL= 3 * δk v chemických analýzách limit záruky čistoty (důkaz - kvalita) cG= 6 * δk limit stanovitelnosti (stanovení – kvantita) cD= 10 * δk

Pravděpodobnost výskytu hodnoty výstupního signálu senzoru y: P0 při nulové koncentraci analytu; PG při limitní koncentraci pro důkaz; PD při limitní koncentraci pro stanovení

Statické parametry senzorů k) nestabilita, drift (non-stability, drift) posun hodnoty výstupu při nulovém vstupu l) linearita, nelinearita (linearity, nonlinearity) pro lineární systém platí když y1 = f (x1) a y2 = f (x2) pak y1 + y2 = f (x1+x2) matematicky vzato jsou lineární pouze statické charakteristiky procházející počátkem vyjadřuje se dvojím způsobem (viz následující snímek) m) hystereze (hysteresis) hodnota výstupu senzoru nezávisí pouze na hodnotě aktuálního vstupu, ale i historii systému n) zkreslení (distortion) odchylka od předpokládaného průběhu existují i další parametry - podrobněji viz česká norma ČSN ISO 3534-1 z roku 1994

Ilustrace pojmů nelinearita (a), (b); hystereze (c) a opakovatelnost (d).

Selektivita (selectivity) Soustava lineárních rovnic (v příznivém případě !) y1 = s11x1 + s12x2 + .... + s1ixi + ...... + s1nxn y2 = s21x1 + s22x2 + .... + s2ixi + ...... + s2nxn . yj = sj1x1 + sj2x2 + .... + sjixi + ...... + sjnxn ym = sm1x1 + sm2x2 + .... + smixi + ...... + smnxn možno vyřešit x1 až xn pro m ≥ n systém selektivní – každý kanál reaguje na jinou veličinu bez ovlivnění ostatními systém specifický – všechny kanály reagují na stejnou veličinu bez ovlivnění ostatními

Selektivita selektivita j– tého kanálu k i– tému vstupu případně λ může nabývat hodnot (0 ; ∞) λ = 0 – zcela neselektivní λ → ∞ – ideálně selektivní systém

Dynamické parametry senzorů ∞ t → 0 δ (t) plocha (integrál) = 1 a) impulsní charakteristika vstupem je Diracův impuls δ (t) (náhodou stejný symbol, jako pro chybu) b) skoková (přechodová) charakteristika vstupem je jednotkový skok u senzorů se obvykle vyjadřuje: t0,1 = 0,104 * τ t0,5 = 0,693 * τ τ = časová konstanta t0,9 = 2,303 * τ t0,9 / t0,5 = 3,32 → kritérium pro rychlý test, zda odpověď je exponenciální 1

Přechodová charakteristika senzoru s vyhodnocením různých časových konstant.

speciální situace u chemických senzorů: plocha vymezená odezvou by měla odpovídat látkové a energetické bilanci Odezva chemického senzoru na skokovou změnu koncentrace analytu.

Dynamické parametry senzorů c) přenos (transfer function) H(p) = Y(p) / X(p) kde přenos vyjadřuje dynamické vlastnosti členu podle podoby přenosu můžeme senzor klasifikovat jako člen 0.,1.,2. nebo vyšších řádů člen 0. řádu charakterizujeme pouze zesílením (viz statické parametry) členy vyšších řádů navíc i časovými konstantami – na předchozím snímku je přechodová charakteristika členu minimálně 2. řádu (Laplace)

Dynamické parametry senzorů d) dynamická chyba (dynamic error) δD(t) = y(t) – S*x(t) y(t) – výstup reálného měřicího přístroje S*x(t) – výstup měřicího přístroje bez zpoždění (člen 0. řádu) velikost této chyby je závislá na čase i na průběhu vstupní funkce v praxi je veliká při větších časových konstantách a nevhodně zvoleném čase odečítání údaje v ustáleném stavu dynamická chyba zaniká pro senzor se zpožděním 1.řádu a jednotkovým zesílením je při skokové změně vstupní veličiny relativní dynamická chyba (v %) dána vztahem

Metody testování senzorů Elektrické metody 1a – Měření impedance senzorů vstupní impedance (u senzorů se měří málo často) výstupní impedance – pro napěťový signál žádoucí malá – pro proudový signál naopak velká nástroje pro měření elektrických veličin: ohmmetry 1014 – 1016 Ω nanovoltmetry ~ 10-9 V pikoampérmetry ~ 10-17 A měřiče náboje ~ 10-17 C extrémní hodnoty výše uvedených veličin se musí měřit na specializovaných stanicích (minimalizace rušení,speciální konektory a přípravky, stíněné kabely) a výsledky správně interpretovat

Impedanční analyzátor HP 4294A

Impedanční analyzátor HP 4294A - rozsah frekvencí testovacího signálu 40 Hz – 110 MHz - nastavitelná amplituda testovacího signálu - měřené impedance do 100 MΩ - přípravky na měření vlastností součástek, tuhých dielektrik, kapalin... - různé režimy znázornění získaných dat (Nyquistův diagram; fáze resp. modul komplexní impedance v závislosti na frekvenci) - možnost vkládání ss předpětí (bias) - měření permitivity resp. permeability materiálů - modelování a výpočet parametrů náhradního obvodu - možnost eliminovat nejen vliv přípojných kabelů, ale i celého přípravku (včetně např. patice senzoru)

Metody testování senzorů 1b) zjišťování napěťového, proudového průrazu Průraz (Breakdown) – podle charakteru: - dielektrická pevnost (dielectric strenght) též napěťový průraz - opotřebení (wear out) - proudový průraz (current induced breakdown) všechny tyto mechanismy závisejí obvykle na teplotě (souvislost s aktivační energií) rostoucí teplota urychluje degradaci senzoru

Měření jednotlivých druhů průrazu na senzorech

Metody testování senzorů 1c) měření vlivu elektrického přetížení zatímco testy podle 1b) zjišťovaly průraz jednorázovým účinkem velkého napětí nebo proudu; zde se testuje např. vliv „chronického“ zvýšení hodnoty proudu o 50% nad maximální přípustnou hodnotu Proudová ztráta (Leakage) – svod, únik Přeslech (Crosstalk) u vícekanálového přenosu nebo u senzorových sítí nastává: - zpětnou vazbou ze senzoru do sledovaného prostoru - kapacitně - indukční vazbou uvnitř senzoru nebo ve vedení - vazbou přes zdroj - u chemických senzorů může dojít k přeslechu vlivem jisté citlivosti k jiné než sledované látce (viz selektivita)

Průmyslové rušení (Industrial Noise) nejzávažnější problém u vysoce citlivých senzorů - mechanické (akustické), vibrace - elektrické (často superpozice „síťového“ kmitočtu 50 Hz) - magnetické - elektromagnetické - optické - chemické (kontaminace senzoru z okolního prostředí)

Metody testování senzorů 2) Optické senzory na optickém principu zaznamenávají rychlý růst počtu aplikací - mikroskopy - interferometry - spektrometry - chemické optovláknové senzory - refraktometry atd. nejčastěji sledované parametry: - index lomu (měřen úhel odrazu nebo lomu) - absorpční koeficient na určitých vlnových délkách

Metody testování senzorů 3) Mechanické - testy volným pádem z výšky - testy senzorů v podmínkách přetížení,nárazů apod. (obvykle se udává násobek gravitačního zrychlení) 4) Termické - pro senzor je důležité nastavení optimální pracovní teploty - zkoumá se obecně vliv teploty na měřenou veličinu - při vysokých teplotách lze významně zkrátit dobu trvání testu - obvykle se testuje: a) tepelný šok uvnitř senzoru (např. u IO teplota 125°C po dobu 48 hod) b) tepelný šok vně senzoru (např. u IO teplota 250°C po dobu 48 hod)

Metody testování senzorů c) tepelný šok cyklický (periodické střídání vnějšího působení nízké a vysoké teploty) Metodika cyklického testování integrovaných obvodů 5) Chemické a biologické - vliv působení chemických látek (koroze, chemická degradace materiálu) - působení bakterií, plísní, zarůstání

Spolehlivost a dlouhodobá stabilita (Reliability, Long-term stability) Poruchy a chyby: a) funkčnosti (Catastrophic failures) b) krátkodobý drift parametrů c) dlouhodobý drift parametrů Časové rozložení poruch funkce senzorů

Spolehlivost a dlouhodobá stabilita závisí do značné míry na podmínkách používání - dlouhodobý provoz - krátkodobý provoz s častým zapínáním - změny enviromentálních podmínek - degradace procesem měření (chemické senzory) Kvantifikace spolehlivostní funkce vychází ze zvyklostí hromadné výroby IO využívají se statistické a distribuční funkce (Gauss, logaritmicko-normální, exponenciální, χ2, Weikull, atd.) spolehlivostní funkce se často udává ve tvaru: Rx = (počet nepoškozených senz. v čase x) / (počet senz. v čase 0)

Spolehlivost a dlouhodobá stabilita spolehlivostní funkce spolehlivostní funkce souvisí s časovým rozložením poruch funkce senzorů pro překonání ranné poruchovosti: urychlené testy → např. tepelný šok působící na IO umělé stárnutí → obtíže při nastavování podmínek (mat.modely) šoková terapie speciálně u chemických senzorů je účelem těchto postupů, aby se aktivní vrstva dostala do stavu blízkého termodymanické rovnováze prodloužení střední doby života: údržba seřizování regenerace

Použitá literatura: M. Kreidl: Senzory, nakladatelství ČVUT 1993 P. Ripka, S. Ďaďo, M. Kreidl, J. Novák: Senzory a převodníky, nakladatelství ČVUT 2005 V. Haasz, M. Sedláček: Elektrická měření – přístroje a metody, nakladatelství ČVUT 2005