Mikrosenzory a mikromechanické systémy - Vysoké učení technické ...

DESCRIPTIONSafety FittingsIt is not necessary to fit control and safety equipmentnormally associated with mains pressure hot waterstorage appliances e.g. temperature and pressure reliefvalves and expansion vessel. PulsaCoil is WBS listedand a non-return valve is not required. However if theancillary equipment fitted in the supply to these appliancesrequire a non-return valve then the valve must be fitteddirectly after the branch to the drinking water i.e. a kitchensink as shown schematically in Figure 1.1.Domestic Hot Water Flow RatesProvided the pipe sizing and the supply pressure is adequatethe hot water flow rate should be up to 35 litres/min for all models (see Table 1.1). The domestic hotwater outlet temperature is regulated to 55 o C by the electroniccontrol system and is not user adjustable.Use in Hard Water AreasThere are two options for the pump speed control. Option‘H’ must be used in hard water areas above 200ppm.Option ‘S’ can be used in soft water areas below 200ppm.A patented control system within the Option ‘H’microprocessor offers a more sophisticated level of pumpspeed control and will help prevent the formation of scale.Both options (‘H’ and ‘S’) prevent domestic hot waterfrom exceeding 55 0 C for most of the operational times ofthe appliance.It is not necessary to fit any form of scale inhibitingequipment in the domestic cold water supply to thePulsaCoil when using option ‘H’.If scale should however become a problem the plate heatexchanger is easily isolated and can be replaced with aservice exchange unit.3

2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně8.1 TERMOELEKTRICKÝ ČLÁNEK..................................................................................... 618.1.1 Obecné vlastnosti termoelektrických článků.................................................... 618.1.2 Tenkovrstvé termočlánky.................................................................................. 638.1.3 Tlustovrstvé termočlánky ................................................................................. 648.2 PIEZOELEKTRICKÉ SENZORY ..................................................................................... 658.2.1 Piezoelektrický jev............................................................................................ 658.2.2 Náhradní elektrické schéma, materiály a využití piezoelektrických senzorů... 678.3 INDUKČNÍ SENZORY .................................................................................................. 699 POLOVODIČOVÉ SENZORY.................................................................................... 729.1 TEPLOTNÍ ZÁVISLOST................................................................................................ 729.2......................................................................................................................................... 7210 OPTOELEKTRONICKÉ SENZORY ..................................................................... 7210.1 OPTOELEKTRONICKÉ SENZORY ................................................................................. 7310.2 SENZORY SE CCD PRVKY ......................................................................................... 7411 CHEMICKÉ SENZORY........................................................................................... 7611.1 ELEKTROCHEMICKÉ SENZORY................................................................................... 8211.1.1 Impedanční senzory.......................................................................................... 82Konduktometrické senzory ............................................................................................... 83Impedimetrické senzory.................................................................................................... 8711.1.2 Amperometrické senzory .................................................................................. 8911.1.3 Iontově selektivní tlustovrstvé senzory............................................................. 91ISFET senzory.................................................................................................................. 9211.2 GRAVIMETRICKÉ CHEMICKÉ SENZORY ...................................................................... 9411.3 TEPLOTNÍ CHEMICKÉ SENZORY ................................................................................. 9411.4 OPTICKÉ CHEMICKÉ SENZORY................................................................................... 9511.5 FLUORESCENČNÍ CHEMICKÉ SENZORY....................................................................... 9611.6 BIOSENZORY ............................................................................................................. 9612 SPECIÁLNÍ DRUHY SENZORŮ............................................................................ 7612.1 HALLOVY SENZORY .................................................................................................. 7612.1.1 Hallův jev v senzorech polohy ......................................................................... 7712.1.2 Hallův jev v proudových snímačích ................................................................. 7813 MIKROELEKTROMECHANICKÉ SYSTÉMY................................................... 9713.1 OBECNĚ O MIKROELEKTROMECHANICKÝCH SYSTÉMECH .......................................... 9713.2 PROCES NANOMECHANIZOVÁNÍ ................................................................................ 99

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 3Seznam obrázkůOBRÁZEK 3.1: OBECNÉ ZNÁZORNĚNÍ FUNKCE SENZORU.........................................................8OBRÁZEK 3.2: VÝVOJ SENZORŮ A JEJICH NÁZVY VYJADŘUJÍCÍ NÁRŮST JEJICH SLOŽITOSTI ..10OBRÁZEK 3.3: STRUKTURA MĚŘICÍ A ŘÍDÍCÍ JEDNOTKY........................................................10OBRÁZEK 3.4: PŘÍKLADY STATICKÉ PŘENOSOVÉ CHARAKTERISTIKY....................................15OBRÁZEK 3.5: STATICKÉ PARAMETRY SENZORŮ...................................................................15OBRÁZEK 4.1: VYUŽITÍ TLV TECHNOLOGIE V NETRADIČNÍCH APLIKACÍCH (PODLEDUPONT [ 3]) 18OBRÁZEK 4.2:PROCES NANÁŠENÍ TLUSTÉ VRSTVY NA SUBSTRÁT METODOU SÍTOTISKU.......20OBRÁZEK 4.3: PRINCIP VYUŽITÍ KAPACITNÍCH SENZORŮ ......................................................24OBRÁZEK 4.4:TLUSTOVRSTVÝ SENZOR PRO MĚŘENÍ VLHKOSTI S INTEGROVANÝMI OBVODYPRO ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU (ASTABILNÍ KLOPNÝ OBVOD PŘEVÁDÍ ZMĚNU ODPORU VRSTVYNA ZMĚNU FREKVENCE).....................................................................................................89OBRÁZEK 4.5: PRINCIP ODPOROVÉHO SNÍMAČE POLOHY ......................................................24OBRÁZEK 4.6: ODPOROVÝ CERMETOVÝ SENZOR STAVU PALIVA (DUPONT) .........................38OBRÁZEK 4.7: POLEM URYCHLENÁ ČÁSTICE INERTNÍHO PLYNU ...........................................25OBRÁZEK 4.8: PŘEMĚNA NEUTRÁLNÍHO ATOMU NA KLADNÝ IONT.......................................26OBRÁZEK 4.9: KATODOVÉ NAPRAŠOVÁNÍ ............................................................................26OBRÁZEK 4.10:PRINCIP SMĚROVÁNÍ ČÁSTIC VLIVEM ELEKTRICKÉHO (E) A MAGNETICKÉHO(B) POLE 27KATODA S MAGNETRONEM A VYTVOŘENÉ PLAZMA...................................27OBRÁZEK 4.11:OBRÁZEK 4.12:VYTVOŘENÍ TOČIVÉHO POLE ČÁSTIC PRO KONCENTRACI PLAZMY DOSTŘEDU HLAVICE ...............................................................................................................27OBRÁZEK 4.13: VAKUOVÉ DEKOMPOZIČNÍ NAPAŘOVÁNÍ ...................................................28OBRÁZEK 4.14: PŘÍKLAD VYTVOŘENÍ TENKOVRSTVÉHO ODPORU ......................................33OBRÁZEK 4.15: PŘÍKLAD LEPTÁNÍ JÁMY DO SI ZA POUŽITÍ MASKY.....................................34OBRÁZEK 5.1: NÁHRADNÍ ELEKTRICKÉ SCHÉMA ODPOROVÉHO SENZORU A PŘÍVODNÍHOVEDENÍ 35OBRÁZEK 5.2: PRINCIP KONTAKTOVÉHO SENZORU A IDEÁLNÍ PRŮBĚH ZÁVISLOSTI ODPORUNA VZDÁLENOSTI KONTAKTŮ ............................................................................................36ZAPOJENÍ POTENCIOMETRU DO OBVODU........................................................37ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKY MĚŘICÍHO POTENCIOMETRU...........................38PŘÍKLADY KONSTRUKCÍ POLOVODIČOVÝCH TENZOMETRŮ............................40OBRÁZEK 5.3:OBRÁZEK 5.4:OBRÁZEK 5.5:OBRÁZEK 5.6:TLUSTOVRSTVÝ TERMISTOR – OD TLUSTOVRSTVÉHO REZISTORU SE LIŠÍ JENTYPEM PASTY 41OBRÁZEK 5.7: TEPLOTNÍ ZÁVISLOST ELEKTRICKÉHO ODPORU CERMETOVÝCH PTCTERMISTOROVÝCH PAST ŘADY PTC-2600 (PRO REZISTOR 1MM X 1MM) VYRÁBĚNÝCHFIRMOU ELECTRO-SCIENCE LABORATORIES, INC., [ 5 ]. ....................................................42OBRÁZEK 5.8:ZÁVISLOSTI ODPORU NA TEPLOTĚ U NTC TERMISTOROVÝCH PAST SÉRIENTC-2100 FIRMY ESL. PLATÍ PRO REZISTOR 1MM X 1MM A TLOUŠŤKU NATIŠTĚNÉZASUŠENÉ VRSTVY 25 MM, [ 5 ].........................................................................................44OBRÁZEK 6.1:NÁČRT SENZORU SE ZMĚNOU PLOCHY ELEKTROD S POPISEM PARAMETRŮ.....48OBRÁZEK 6.2: NORMALIZOVANÁ CHARAKTERISTIKA SENZORU SE ZMĚNOU PLOCHYELEKTRODY 48OBRÁZEK 6.3: NÁČRT SENZORU SE ZMĚNOU PLOCHY DIELEKTRIKA S POPISEM PARAMETRŮ 48OBRÁZEK 6.4:NÁČRT SENZORU SE ZMĚNOU TLOUŠŤKY DIELEKTRIKA S POPISEM PARAMETRŮ49OBRÁZEK 6.5: CHARAKTERISTIKA SENZORU SE ZMĚNOU TLOUŠŤKY DIELEKTRIKA ..............49OBRÁZEK 6.6: NÁHRADNÍ ZAPOJENÍ KAPACITNÍHO SNÍMAČE................................................49OBRÁZEK 6.7: ZAPOJENÍ KAPACITNÍHO SNÍMAČE K MĚŘICÍMU OBVODU...............................50

4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněOBRÁZEK 6.8: DIFERENČNÍ KAPACITNÍ SENZOR S PROMĚNNOU PLOCHOU: A) PRINCIP, B)PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA ........................................................................................... 50OBRÁZEK 6.9: 4-KVADRANTOVÝ KAPACITNÍ SNÍMAČ........................................................... 51OBRÁZEK 6.10: PRŮBĚH POLE MEZI ELEKTRODAMI............................................................ 52OBRÁZEK 6.11: DETAIL PRSTENCE A AKTIVNÍ STÍNĚNÍ SNÍMAČE........................................ 52OBRÁZEK 6.12:PRINCIP ČINNOSTI KAPACITNÍHO OBVODOVÉHO TEPLOTNÍHO SENZORU SBIMETALOVÝM PROUŽKEM [1]. ......................................................................................... 52OBRÁZEK 6.13:SENZORY ATMOSFÉRICKÉHO TLAKU V ZAPOJENÍ S KAPACITNÍM PŘEVODEMZMĚNY ATMOSFÉRICKÉHO TLAKU NA ELEKTRICKÝ SIGNÁL............................................... 53OBRÁZEK 6.14:SENZOR HUMICAP, VYVINUTÝ FIRMOU VAISALA, JEHO PRINCIP ACHARAKTERISTIKY............................................................................................................ 54OBRÁZEK 6.15: KAPACITNÍ SENZOR OTISKU PRSTŮ............................................................ 54OBRÁZEK 7.1:NÁHRADNÍ ZAPOJENÍ INDUKČNOSTNÍHO SNÍMAČE SE SPOJOVACÍM VEDENÍMPRO PŘIPOJENÍ DO MĚŘICÍHO OBVODU ............................................................................... 58OBRÁZEK 8.1: PIEZOELEKTRICKÝ SNÍMAČ ........................................................................... 66OBRÁZEK 8.2: NÁHRADNÍ ELEKTRICKÉ SCHÉMA PIEZOELEKTRICKÉHO SENZORU................. 67OBRÁZEK 8.3: PRAKTICKÉ NÁHRADNÍ ELEKTRICKÉ SCHÉMA PIEZOELEKTRICKÉHO SENZORU67OBRÁZEK 8.4: PŘÍKLADY VYUŽITÍ PIEZOELEKTRICKÝCH SENZORŮ ...................................... 68OBRÁZEK 8.5: PRINCIP TERMOČLÁNKU................................................................................ 62OBRÁZEK 8.6: ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ KOMPENZAČNÍHO OBVODU TERMOČLÁNKU ................. 63OBRÁZEK 8.7: PLANÁRNÍ MULTI-TERMOČLÁNEK.................................................................. 64OBRÁZEK 8.8: VRSTVOVÝ PLANÁRNÍ TERMOČLÁNEK .......................................................... 65OBRÁZEK 9.1: CCD SENZOR: A) MOS KAPACITOR, B) PN PŘECHOD.................................... 74OBRÁZEK 9.2: METODA VYHODNOCOVÁNÍ ČTVEŘIC............................................................ 75OBRÁZEK 9.3: CCD ČIP KAF 4202 ...................................................................................... 75OBRÁZEK 10.1: PRINCIPIÁLNÍ STRUKTURA CHEMICKÉHO SENZORU ................................... 82OBRÁZEK 10.2:STANDARDNÍ ELEKTRODY PRO MĚŘENÍ VODIVOSTI KAPALNÝCH ROZTOKŮ:A – PRŮTOKOVÉ, B – SKLENĚNÉ S PT PRSTÝNKY, C - PT DESKOVÉ .................................. 84OBRÁZEK 10.3: PRŮBĚH POMĚRNÝCH PROUDŮ MEZI ELEKTRODAMA V PLANÁRNÍSTRUKTUŘE 84OBRÁZEK 10.4: TLUSTOVRSTVÝ SENZOR NA BÁZI SNO 2 (RESEARCH GROUP GÖPEL)VYROBENÝ SOL – GEL TECHNOLOGIÍ. ............................................................................. 84TLV SENZORY: A) 10 RŮZNÝCH HŘEBÍNKOVÝCH PT TLUSTOVRSTVÝCHČIDEL, B) SENZOR PLYNŮ – HORNÍ STRANA S ELEKTRODAMI A PŘEVODNÍKEM, C) SPODNÍSTRANA S OHŘÍVACÍM ELEMENTEM A TCR ČIDLEM .......................................................... 85OBRÁZEK 10.5:OBRÁZEK 10.6: VLEVO PRINCIP FUNKCE CHEMICKÉHO SENZORU NA BÁZI OXIDŮ KOVŮ,VPRAVO TLUSTOVRSTVÝ SENZOR NA BÁZI POLOVODIČOVÝCH OXIDŮ OD FIRMY SCIMAREC,TYP AF – 20 URČENÝ PRO DETEKCI ÚNIKU PLYNŮ............................................................. 85OBRÁZEK 10.7:VLEVO UKÁZKA ZMĚNY CITLIVOSTI SNO2 SENZORU PRO RŮZNÉ TEPLOTYPŘI PŮSOBENÍ UHLOVODÍKU, VPRAVO ČASY ODEZVY PRO 50% ZMĚNU REZISTIVITYSENZORU PŘI PŮSOBENÍ RŮZNÝCH PLYNŮ.......................................................................... 86OBRÁZEK 10.8: OBRÁZEK 9 . 2.5: KALIBRAČNÍ KŘIVKY ODEZVY SNO2 SENZORUVYROBENÉHO SOL-GEL TECHNOLOGIÍ NA CO (PRO KONCENTRACE 500PPB AŽ 10 000PPM, SCH 4 JAKO INTERFERUJÍCÍM PLYNEM) A ODEZVY NA NO2. ................................................ 87OBRÁZEK 10.9: IMPEDANČNÍ CHARAKTERISTIKA JEDNÉ ELEKTRODY V ROZTOKU.............. 88OBRÁZEK 10.10: MODEL IMPEDANČNÍHO INTERFACU ELEKTRODY ...................................... 88OBRÁZEK 10.11: IMPEDAČNÍ CHARAKTERISTIKA SENZORU PLYNŮ NA BÁZI ORGANOKOVU . 88

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 5OBRÁZEK 10.12: KAPACITNÍ POLYMERNÍ CHEMICKÝ SENZOR S INTERDIGITÁLNÍ STRUKTUROUA S POLYETHERURETHANOVOU SNÍMACÍ VRSTVOU. VLEVO ODEZVA TOHOTO SENZORU NAPŘÍTOMNOST ETHANOLU (RESEARCH GROUP GÖPEL)........................................................89OBRÁZEK 10.13: TYPICKÉ CHARAKTERISTIKY AMPEROMETRICKÉHO SENZORU S PEVNÝMPOLYMERNÍM ELEKTROLYTEM, VLEVO ZMĚNA VOLT – AMPÉROVÉ CHARAKTERISTIKY SKONCENTRACÍ, VPRAVO ZÁVISLOST PROUD – KONCENTRACE............................................90OBRÁZEK 10.14:STRUKTURA A ZAPOJENÍ AMPEROMETRICKÉHO SENZORU S PEVNÝMPOLYMERNÍM ELEKTROLYTEM...........................................................................................90OBRÁZEK 10.15: KONSTRUKCE TLUSTOVRSTVÉ REFERENČNÍ ELEKTRODY, PROVEDENÍREFERENČNÍ A IONTOVĚ SELEKTIVNÍ ELEKTRODY A PŘÍKLAD MĚŘENÍ KONCENTRACENĚKTERÝCH TĚŽKÝCH KOVŮ V ROZTOKU PROVÁDĚNÉ TÍMTO SENZOREM (ČÁRKOVANĚ JEVYZNAČEN TEORETICKÝ PRŮBĚH). ....................................................................................92OBRÁZEK 10.16: PRINCIPIÁLNÍ SCHÉMA ISFETU .................................................................92OBRÁZEK 10.17: ŘEZ STRUKTUROU ISFETU........................................................................93OBRÁZEK 10.18: JEDNODUCHÝ ZESILOVAČ PRO ISFET A PRŮBĚH VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ ......93OBRÁZEK 10.19: VLEVO HYBRIDNÍ ISFET, VPRAVO PRINCIP SGFETU ................................94OBRÁZEK 10.20: PRINCIPIÁLNÍ ČINNOST BIOSENZORU..........................................................96OBRÁZEK 11.1: PRINCIP HALLOVA SENZORU .....................................................................76OBRÁZEK 11.2: PRINCIP HALLOVA SENZORU POLOHY........................................................77OBRÁZEK 11.3: CHARAKTERISTIKY SENZORU Z OBRÁZEK 11.2 ........................................77OBRÁZEK 11.4: REÁLNÁ VNITŘNÍ STRUKTURA (A) A ZAPOJENÍ (B) HALLOVA SENZORUMH1SS1 78

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 71 ÚvodNeustálou snahou člověka je poznání různých přírodních, fyzikálních, chemických adalších zákonitostí. Na základě získaných výsledků dochází ke zpřesňování a zkvalitňovánívýrobních technologií. Nejprudší vývoj probíhá za několik posledních desetiletí na polielektroniky, která dnes ovlivňuje všechny dalších vědních obory a pomáhá člověku svýmiprincipy, technologiemi a aplikacemi k dalšímu poznávání okolního světa. Ke zjišťováníinformací o stavu okolního světa byly stanoveny člověkem různé fyzikální a chemickéveličiny a jednotky (geometrických, mechanických, tepelných, chemických, biologických, proměření elektrostatických a magnetických polí, intenzit záření, atd.). Významné postavení přijejich získávání a dalším zpracování má senzorová technika. Vývoj senzorové technikyovlivňuje výrazným způsobem vývoj mikroelektronických technologiích.2 Zařazení předmětu ve studijním programuPředmět Mikrosenzory a mikromechanické systémy je zařazen v zimním i letnímsemestru třetího ročníku v bakalářském studijním programu do předmětů volitelných.Předmět vyžaduje základní znalosti z oblasti materiálů, elektronických součástek a jejichvýrobních technologií.2.1 Úvod do předmětu Mikrosenzory a mikromechanické systémyCílem kurzu je seznámit posluchače s teorií, principy a konstrukcí mikrosenzorů amikromechanických systémů. Hlavním úkolem kurzu je poskytnutí znalosti pro jejich návrh,optimální konstrukci, výběr technologií a postupů, a správné využití v praxi. Student by mělzískat přehled o možných technologických řešeních mikrosenzorů při využití hlavněmikroelektronických technologií a jejich úskalí při výrobě, případně vliv na parametrysenzorů.

8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně3 Úvod do senzorové technikyCíle kapitoly: Na začátku svého studia se musí studenti seznámit se základními pojmyz oblasti senzorové techniky a s výrobními technologiemi, kterými se mikroelektronickésenzory vyrábí. Tato kapitola vysvětluje pojmy senzor, senzorové pole, měřicí řetězec adalšími pojmy používanými v senzorové oblasti. Dále vysvětluje základní parametrysenzorů a používaná rozdělení senzorů.3.1 Základní pojmyKdyž vyhledáme slovo senzor v naučném slovníku, najdeme často stručné vysvětlení:„zařízení k přeměně fyzikální veličiny v elektrický signál, snímač, čidlo“ nebo výstižnějšívysvětlení: „snímač popudů, zařízení jímž se libovolná fyzikální veličina snímá atransformuje na veličinu jinou, snáze měřitelnou (obvykle elektrickou)“,[1]. Slovo senzor je,ale odvozeno z latiny, kde znamená „citlivý“ a mělo by být chápáno jako citlivost na vnějšípodnět. Obecně je tedy senzor definován jako zařízení reagující na podmět, stav prostředí(měřenou veličinu) a převádějící jej na výslednou odezvu nebo informaci (výstupní veličinu).Pojem senzor je v obecné rovině ekvivalentní pojmu snímač, převodník nebo detektor, i kdyžodborná terminologie tyto pojmy považuje za součásti senzoru, ale i odborníci se lišív definovaných pojmech, což svědčí o chybějící normativní definici. V technické praxi seustálila následující definice:Pod pojmem senzor je chápáno zařízení, které snímá sledovanou fyzikální, chemickounebo biologickou veličinu a dle určitého definovaného principu ji transformuje fyzikálnímpřevodem na veličinu výstupní často elektricky kvantitativní. Stav sledované veličiny snímácitlivá část senzoru občas označovaná jako čidlo a zpracovává vyhodnocovací obvod senzoru.Výstupní informací z vyhodnocovacího obvodu senzoru je kvantitativní, obvykle elektrickýsignál, který je vyhodnocen elektronickým detektorem a lze ho dále zpracovat dalšími obvody,viz. Obrázek 3.1.SENZORPodnět,prostředíSnímacípřevodníkVyhodnocovacíobvodDalšíobvodFyzikální,chemický procesObrázek 3.1:výstupní veličinakvantitativníObecné znázornění funkce senzoruMezi základní pojmy senzorové techniky patří:• Senzorová pole – jsou integrované senzory složené ze stejných nebo podobnýchsenzorových struktur ze stejnou nebo podobnou funkcí.• Multisenzor – se skládá z několika senzorů se stejnou nebo podobnou funkcí.• Multifunkční senzor – je jednoduchý integrovaný senzor, který může realizovat několikrozdílných snímacích funkcí za různých podmínek.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 9• Inteligentní senzor – je zařízení, které v sobě obsahuje citlivou část (čidlo) a obvody propřevod, úpravu, řízení a komunikaci s dalšími zařízeními v jediném celku. Mírainteligence je u těchto senzorů definována různě. Obecně lze za inteligentní senzor označiti senzor s citlivou částí oddělenou od mikroelektronické části, pokud je její vzdálenost odčidla minimální a bude tvořit s čidlem jediný mechanicky, elektricky a funkčně uzavřenýcelek. Citlivá část je s mikroelektronickou spojena nejčastěji elektricky nebo opticky.Příkladem použití této varianty jsou případy kdy čidlo nelze vyrobit mikroelektronickoutechnologií nebo je vystaveno extrémním podmínkám (teplota, tlak, chemická agresivita,aj.), které by mohly poškodit nebo ovlivnit správnou funkci mikroelektronické části.Z výše uvedené charakteristiky inteligentního senzoru lze rozdělit strukturu senzoru navstupní, výstupní a vnitřní část, a definovat funkce a požadavky na tyto části:o Vstupní část – Slouží k převodu měřené veličiny na veličinu elektrickou. Dále kzesílení a filtraci elektrické veličiny, linearizaci statické charakteristiky,normování signálu, přepínání více vstupních veličin, ochraně proti nežádoucímvlivům, atd.o Výstupní část – Slouží ke komunikaci senzoru s okolím pomocí sběrniceprostřednictvím integrovaného rozhraní, ujednocení výstupních analogovýchsignálů, apod..o Vnitřní část – Slouží k autokalibraci elektrické a neelektrické části (pokud je tomožné), číslicové linearizaci, autodiagnostice, statistickému vyhodnocováníměřených dat, hlídání mezí, řízení přepínání měřicích rozsahů (zesílení), atd.Pro využití běžných senzorů v systémech pro automatizované zpracování dat jsounavrhovány a vyráběny tzv. inteligentní senzorové moduly. Moduly s připojenými běžnýmisenzory jsou funkčně srovnatelné s inteligentními senzory na nejvyšší úrovni, tzn. mají vícepřepínatelných vstupů, programovatelné zesílení, řízení a rozhraní umožňující komunikaci sdalšími moduly.V souvislosti s rozvojem senzorové techniky lze rozpoznat následující tři generacesenzorů:• První generace senzorů (též základní) – využívá různé makroskopické principyelektromechanické, elektrochemické nebo mechanické. Náleží sem senzory odporovékontaktové, kapacitní, a pod.. Měřící vlastnosti této generace senzorů dosáhli svéhovrcholu.• Druhá generace senzorů – využívá elektronické jevy v tuhých látkách (např.piezoelektrický jev, magnetostrikční jev, fotoelektrický jev apod.) a v plynech (např.nárazová ionizace). Významnou skupinu této generace tvoří polovodičové senzory a znich pak zejména mikroelektronické senzory, které jsou mnohdy slučitelné sintegrovanými obvody. Vývoj v této oblasti je zaměřen na jednočipové inteligentnísenzory, označované též jako SMART převodníky, respektive SMART senzory.• Třetí generace senzorů – využívá působení neelektrické veličiny na svazek světelnéhozáření. Tato generace senzorů je označována zkratkou OVS (Optické Vláknové Senzory).Při jejich konstrukci se využívají principy optoelektroniky a integrované optiky.V posledních letech se rozvíjí kvalitativně nová generace senzorů, založená namikroelektro-mechanických systémech, označovaná zkratkou MEMS. Tyto senzory pracujína principu mikrominiaturizace dříve známých systémů z první generace a na vytvářenínových mechanických mikrosystémů mikroelektronickými technologiemi. Proto jsou MEMSkompatibilní s mikroelektronickými senzory a SMART senzory, což přináší řadu nových

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 11zpracovávat (sčítat, odčítat, násobit, dělit, derivovat, integrovat, atd.) a provádět s nimisignálové operace (autokalibrace, analogová nebo číslicová filtrace, frekvenční analýza, aj.).Mezi další výhody patří větší přesnost a citlivost, možnost dálkového měření, větší rychlostměření, možnost měření na velkém počtu míst, aj. K nevýhodám naopak patří větší nákladyna měřicí kanál a větší náklady na údržbu. Výstupní číslicový signál z měřicího řetězce můžebýt zpracován buď číslicovým měřicím přístrojem pro zpracování dat, nebo zvolenýmkomunikačním rozhraním. Podle evropského doporučení CCITT (Comité ConsultatifInternational Télégraphique et Telephonique) a amerického doporučení EIA (ElectronicIndustries Association) se nejčastěji používá u senzorů rozhraní se sériovým přenosem datRS-232-C a RS-485. U rozhraní RS-232-C jsou použity pro obousměrný provoz tři a vícevodičů a rychlost přenosu dat je 20 kbitů/s na vzdálenost 15 m. U výhodnějšího rozhraníRS-485 postačí kroucená stíněná dvojlinka. Rychlosti přenosu je 20 Mbitů/s a maximálnívzdálenost je 1200 m. Další výhodou tohoto rozhraní je symetrický vstup, který potlačujerušivé signály a potřebuje jediné napájení +5 V. Pro rychlejší přenos dat na krátké vzdálenostilze použít rozhraní s paralelním přenosem dat. Pro náročnější měření nebo specificképodmínky se používají speciální sběrnice např. HPIB, CAN. Pro senzorovou techniku jestanovena norma IEEE 1451, IEEE 1452, jež definuje protokol pro komunikaci po jakého-lisběrnici. Dále se využívá protokol HART a lze se setkat s připojením senzorů přes sběrniceUSB a Ethernet.Analogový výstup je nejčastěji připojen na přímoukazující analogový přístroj nebozapisovač, nebo je upraven pro přenos signálu do dalších obvodů elektrickou, optickou nebojinou cestou. Pro přenos elektrickou cestou je signál upraven modulátorem nebo blokemunifikace signálu. Unifikace analogových signálů je standardizována nejčastěji na hodnoty0÷10 V, 0÷20 mA, a 4÷20 mA.3.2 Obecné rozdělení senzorůObecně existuje mnoho hledisek podle nichž lze senzory rozdělovat do různých skupina kategorií. Nejpoužívanější rozdělení vychází z představy, že senzor lze chápat jakopřevodník mezi podnětem vyjádřeným měřenou (snímanou) veličinou a výstupní (naměřenou)veličinou. Z této představy plynou následující dělení:• Dělení podle vstupní veličinySenzory jsou rozděleny podle druhu měřené veličiny. Rozlišujeme zde senzory naměření:o geometrických veličin (měření polohy, posunutí, atd.),o mechanických veličin (měření rychlosti, akcelerace, síly, tlaku, průtoku,mechanického napětí, atd.),o teplotních veličin (teplota, tepelný tok, atd.),o elektrických a magnetických veličin,o intenzity vyzařování (elektromagnetické, radiační veličiny ve viditelném,infračerveném a jiném spektru, zvukové, atd. ),o chemických veličin (koncentrace iontů nebo plynů, pH, iontově selektivní analýzaatd.),o biologických veličin (koncentrace enzymů, DNA analýza, atd.).

12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně• Dělení podle výstupní veličinySenzory jsou rozděleny podle druhu výstupní veličiny. Nejčastěji využívanou výstupníveličinou je elektrický signál (senzory odporové, indukčnostní, indukční, kapacitní).Využívá se však i veličin optických (změna barvy nebo jasu), mechanických (posunutíukazatele) apod. Výstupní signál lze dále rozdělit na analogový a digitální.• Dělení podle principu převoduSenzory jsou rozděleny podle principu převodu měřené veličiny na veličinu výstupní.Rozdělujeme senzory s:o fyzikálním převodem – převod je realizován zvoleným fyzikálním dějem. Jedná senapříklad o převod mechanicko-elektrický a jevy termorezistivní, termoelektrický,pyroelektrický, piezoelektrický, piezorezistivní, Hallův jev, magnetorezistivní,magnetostrikční, magnetoanizotropní, vnitřní a vnější fotoelektrický jev, atd.,o chemickým převodem – převod je založen na chemické reakci probíhající narozhraní analyt-senzor (adsorbce, absorpce, redukce, oxidace, …),o biochemickým převodem – tvoří samostatnou část chemických senzorů, ke svéčinnosti využívají biologicky aktivní látky (enzymy, protilátky, …).Další klasifikace senzorů se provádí podle různých obecných specifik. Mezinejznámější rozdělení dále patří:• Dle styku senzoru s měřeným prostředím:o dotykové.o bezdotykové,• Dělení podle chování výstupu (též dle transformace signálu)Senzory jsou rozděleny podle toho, chová-li se výstup senzoru jako zátěž sdefinovanými parametry nebo jako zdroj signálu. Rozlišujeme senzory:o generátorové (též aktivní) – působením měřené veličiny se senzor chová jako zdrojenergie (nejčastěji elektrické). Příkladem mohou být senzory pracující na principupřevodu termoelektrickém (termočlánek), piezoelektrickém, elektromagnetickémindukčním, fotoelektrickém (fotočlánek), elektrochemickém (elektrochemickýčlánek), atd.,o pasivní – působením měřené veličiny se mění některý z parametrů senzoru (častoelektrická veličina, např. indukčnost, kapacita, odpor; nebo optická veličina např.změna barvy). Pro další zpracování signálu pomocí elektronických obvodů jenutné veličinu dále transformovat na analogový napěťový nebo proudový signál,přičemž měřicí veličinou je amplituda, kmitočet, fáze aj. U pasivních senzorů jena rozdíl od aktivních senzorů nezbytné napájení pro tuto transformaci.• Dělení podle převodu neelektrické veličinySenzory jsou rozděleny podle složitosti převodu měřené veličiny na veličinu výstupní.Rozlišujeme senzory:o senzory s jednoduchým převodem – měřená veličina se mění přímo na veličinuvýstupní,o senzory s několikanásobným převodem – měřená veličina se mění nejprve na jinouveličinu a tato se mění dále na veličinu výstupní (převod může být i vícenásobný).

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 13• Dělení podle výrobní technologie – Senzory jsou rozděleny podle technologie výroby.Náleží sem např. senzory elektromechanické, mechanické, pneumatické, elektrické,elektronické, mikroelektronické (technologie tlustých vrstev, technologie tenkých vrstev,polovodičová technologie), elektrochemické, optoelektronické. V současnosti největšívývoj senzorů je v mikroelektronických technologiích.3.3 Základní parametry senzorůPři výběru senzoru pro určitou aplikaci stojí návrhář vždy před rozhodnutímvycházejícím z požadavků kladených na konkrétní typ senzoru. Mnohé obecné požadavkyjsou protichůdné, a proto je třeba volit kompromis – velmi často mezi cenou a přesností.Mezi obecné požadavky na vlastnosti senzorů nejčastěji patří:• jednoznačná závislost výstupní veličiny na veličině měřené• velká citlivost senzoru• vhodný průběh základních statických charakteristik• velká přesnost a časová stálost• minimální závislost na vlivech okolního prostředí (mimo vlivů měřených)• minimální zatěžování měřeného objektu• vysoká spolehlivost• velmi nízká pořizovací cena a nízké náklady na provoz• jednoduchá obsluha a údržbuVhodná závislost výstupní veličiny na veličině měřené a vhodný průběh základníchcharakteristik jsou často rozhodující požadavky návrháře na použitý senzor. Důležitécharakteristiky a typické parametry popisující základní statické a dynamické vlastnostisenzoru lze shrnout do následujícího přehledu:• Statické vlastnosti senzoru:o Statická přenosová charakteristika (kalibrační křivka) – udává vztah mezi výstupnía měřenou veličinou.o Citlivost – je definována jako sklon statické přenosové charakteristiky.o Limit detekce (práh citlivosti, dolní hranice měřícího rozsahu) - je nejnižší hodnotaměřené veličiny, která může být senzorem detekována.o Plný rozsah (horní hranice měřícího rozsahu) – je nejvyšší hodnota měřenéveličiny, která může být senzorem detekována.o Dynamický rozsah – je dán intervalem dolní a horní hranicí měřícího rozsahu, tj.mezi limitem detekce a plným rozsahemo Linearita (též chyba linearity, nelinearita nebo integrální nelinearita) – udávámaximální odchylku kteréhokoliv kalibračního bodu od odpovídajícího bodu naideální statické přenosové charakteristice.

14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněo Hystereze – je maximální rozdíl ve výstupu při jakékoliv hodnotě měřenéhorozsahu, kdy hodnota je měřena nejdříve při zvyšování a poté při snižování měřenéveličiny.o Rozlišení (rozlišitelnost) – je nejmenší inkrement výstupu senzoru, který senzorzaznamená při změně výstupu. Odpovídá absolutní nebo relativní chybě senzoru.o Reprodukovatelnost (někdy nazývaná opakovatelnost měření) – je dána odchylkoumezi naměřenými hodnotami, které byli měřené při neměnné vstupní veličiněa neměnných rušivých vlivech v krátkém časovém sledu.• Dynamické vlastnosti senzoruo Přechodová charakteristika – je průběh výstupní veličiny v závislosti na čase přiskokové změně vstupní veličiny.o Frekvenční charakteristika – udává závislost přenosu a fázového úhlu na frekvenci,tj. rozdíl amplitudy a fáze výstupního signálu oproti signálu vstupnímu v závislostina frekvenci.Mezi další důležité parametry senzoru náleží posun nuly vlivem teplotního, časového,napájecího a jiného driftu, doba odezvy, selektivita, doba života, kvantizační chyba, početbitů, apod. Hodnoty těchto parametrů mohou limitovat použití senzorů v některýchaplikacích, a proto je třeba u každého typu senzoru hodnotit samostatně vhodnost pro danouaplikaci.Na senzor působí mimo měřené veličiny také rušivé vlivy (teplota, tlak, vlhkost,radiace, elektrické a magnetické pole, atd.), které se senzor svými technickými parametry auspořádáním snaží minimalizovat. Dále se používají vhodná obvodová řešení pro zmenšeníchyb senzorů. Mezi ně náleží např. metoda kompenzace, diferenční metoda, metodazpětnovazební, metoda sériového zapojení linearizačního členu, metoda filtrace, aj.3.3.1 Statické vlastnosti senzorůStatické vlastnosti senzoru popisují jeho chování v časově ustáleném stavu (přikvazistacionárních změnách). Nejdůležitější charakteristikou je statická přenosovácharakteristika (kalibrační křivka), která udává vztah mezi měřenou veličinou x a výstupníveličinou y. Vztah je popsán funkcí:y = f (x)( 3.1 )Obecně lze závislost mezi vstupní veličinou x a výstupní veličinou y popsat tvarem:2ny = ( a + a x + a x + ... a x x( 3.2 )0 1 2+n)kde a 0 , a 1 , a 2 … a n jsou konstanty. Při omezeném počtu členů této rovnice lze napříkladodvodit statické přenosové charakteristiky, viz. Obrázek 3.4.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 15a) Ideální tvar charakteristiky, funkce y=a 0 x b) funkce y=(a 0 +a 1 x+a 3 x 3 )xObrázek 3.4: Příklady statické přenosové charakteristikyPro statická měření je nejvýhodnější a nejžádanější lineární závislost statické přenosovécharakteristiky, která je popsána funkcí:y0= a x( 3.3 )S touto charakteristikou souvisí citlivost senzoru K, která je definována sklonemcharakteristiky a v případě ideálního tvaru charakteristiky je rovna konstantě a 0 :∆yK = a 0=( 3.4 )∆xLimit detekce senzoru (práh citlivosti, dolní hranice měřícího rozsahu) je nejnižšíhodnota měřené veličiny, která může být senzorem detekována. Na výstupu senzoru je signálodpovídající střední kvadratické odchylce šumu senzoru. Limit detekce a další staticképarametry názorně ukazuje Obrázek 3.5 .a) kalibrační křivka b) hysterezní křivkaObrázek 3.5: Statické parametry senzorůRozlišení (rozlišitelnost) je nejmenší inkrement výstupu senzoru, který senzor vytvořípři změně výstupu. Odpovídá absolutní nebo relativní chybě senzoru.Přesnost snímače vyjadřujeme relativní chybou δ vztaženou k horní hranici měřenéhorozsahu (interval přesnosti je ±δ). Je-li rozsah snímače 0 až y max a relativní chyba δ, můžemerozdělit měřicí rozsah na pásma o šířce:∆ y p= 2δx max( 3.5 )

16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněTěchto rozlišitelných pásem je celkem:xmax 1n = =( 3.6 )∆ 2δy pa jsou odděleny úrovněmi o počtu:n ′ = n +1( 3.7 )Za předpokladu, že měřená veličina se může vyskytnout v libovolném z těchto intervalů sestejnou pravděpodobností, je pravděpodobnost, že měřená veličina bude v určitém intervalu:1p = ( 3.8 )nZ této úvahy je možné odvodit vztah pro množství informace I, které lze ze senzoru získat:1I = log 2( 3.9 )2δMnožství informace je udáno v binárních jednotkách – bitech.3.3.2 Dynamické vlastnosti senzorůMěřená a výstupní veličina je funkcí času, se kterým se neustále mění. Z tohoto důvodunestačí zejména u mnoha technologických procesů ke sledování měřené veličiny požadovatpouze statické parametry a charakteristiky. Zvláště snímače zařazené v obvodu regulačnísmyčky nebo indikující mezní stavy procesu musí být navrženy tak, aby výstupní signál y(t)ze snímače resp. z následujícího převodníku sledoval s minimálním zkreslením vstupní signálx(t). Dynamické chování senzorů lze ve většině běžných případů popsat lineární diferenciálnírovnicí s konstantními koeficienty. Pokud toto zjednodušení nelze provést, je nutno nelineárnírovnici po úsecích linearizovat a dynamické chování sledovat v těchto úsecích. Dynamickéchování senzoru se v technické praxi vyjadřuje přenosovou funkcí, resp. frekvenčnícharakteristikou, kterou formálně získáme z přenosové funkce ( 3.10 ) dosazením p = j.Nevhodné dynamické chování členů měřicího řetězce, zejména snímače, lze upravit pomocíkorekčních členů.Y(p) (1 + pT1)(1 + pT2)...(1 + pTm)F(p) = = K( 3.10 )X(p) (1 + pt )(1 + pt )...(1 + pt )12Přechodová charakteristika je průběh výstupní veličiny v závislosti na čase při skokovézměně vstupní veličiny. Frekvenční charakteristika udává závislost přenosu a fázového úhluna frekvenci, tedy rozdíl amplitudy a fáze výstupního signálu oproti signálu vstupnímu vzávislosti na frekvenci. Mezi dynamické parametry dále patří parametry časové odezvy,časová konstanta, šíře frekvenčního pásma, frekvenční rozsah, rychlost číslicového přenosu,parametry šumu.n

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 174 Základy mikroelektronických technologiíCíle kapitoly: V domácnosti, průmyslu, lékařství, vojenství, zemědělství, … - téměř vevšech oborech lidské činnosti se běžně používá mikrosenzorová technika. Pro pochopenísprávné funkce a vlastností jednotlivých mikrosenzorů je však nutné nejprve seseznámit s technologiemi, jimiž se mikrosenzory vyrábějí. Student si zopakuje principytechnologie tenkých a tlustých vrstev a také některé procesy z technologií výrobypolovodičů, pozná technologie elektrochemické depozice a sol-gel depozice.4.1 Technologie výroby senzorůZákladem mnoha senzorových systémů byly v počátcích rozvoje senzorové technikymechanické, mechanicko-elektrické a fotoelektrické systémy. Tvoří skupinu klasických prvkůstaré generace. Tyto senzory jsou vyráběny v menších sériích, jsou robustní, drahé, ale lze jevyrobit velmi přesně a kvalitně. Tato skupina byla později miniaturizována pomocítechnologií známých z výroby integrovaných obvodů. Skupina miniaturizovaných senzorůbyla rozšířena o senzory, které jinými než mikroelektronickými technologiemi vyrobit nelze(např. senzory, které pracují na principech jevů v polovodičích - Hallův jev, aj).Obecně lze pod pojem mikroelektronické technologie zahrnout oblast návrhu,konstrukčního řešení, výrobních procesů a použitých materiálů a součástekmikroelektronických zařízení. V užším významu jsou pod pojmem mikroelektronickétechnologie chápány výrobní procesy a technologie výroby mikroelektronických zařízení.Tohoto významu bude dále použito v této učebnici. Mikroelektronické technologie lzerozdělit na polovodičové a vrstvové, které se dále dělí na technologii tlustých vrstev atechnologii tenkých vrstev.Polovodičové (monolitické) senzory se vyrábějí běžnými postupy používanými přivýrobě integrovaných obvodů na substrátu monokrystalického křemíku. Základem je tzv. Sitechnologie (oxidace povrchu, fotolitografie, epitaxe, iontová implantace, metalizace).Doplňkem Si technologie je GaAs technologie, která je vhodná pro aplikace nad 150 °C.Tenkovrstvá technologie při výrobě senzorů spočívá ve vytváření monokrystalických,polykrystalických a i amorfních vrstev křemíku, izolantů a kovů o tloušťce 1 nm až 1µm.Vrstvy kovů a některých jejich oxidů se nanášejí vakuovým nebo katodovým napařováním nazákladní vrstvu ze skla, oceli, křemíku nebo umělé hmoty a fotolitografií a selektivnímleptáním se vytvářejí prvky pasivní sítě obvodu senzoru. Vrstvy oxidů lze vytvářet i oxidacíkovů. Technologie tenkých vrstev zajišťuje u senzorů vysokou přesnost (nastavovánílaserovým paprskem), stabilitu, malou časovou konstantu, spolehlivost, malé rozměry ahmotnost a relativně levnou sériovou výrobu s možnou integrací s Si integrovanými obvody.Tlustovrstvová technologie využívá při výrobě vodičů, rezistorů, kapacitorů a speciálníchsenzorových součástek pasty vhodného složení, které se postupně přes síta nanášejí nakeramickou nebo umělohmotnou vrstvu, a pak se suší a vypalují. Podobně jako utenkovrstvové technologie lze takto vyrobené senzory doplňovat integrovanými obvody, a tozapouzdřenými nebo ve formě čipu. Integrované senzory umožňují podstatné zmenšenírozměrů, a tím dochází kromě minimalizace parazitních impedancí a šumů k nárůstu rychlostizpracování signálu, možnosti bezchybné výměny senzorů a snížení výrobních nákladů.Integrace může být rozšířena o integrovanou optiku, u níž jsou zdroje a detektory zářenívčetně zesilovačů a dalších obvodů na jediném čipu s optickými součástkami (vazebnímičleny, modulátory). Integrovanou optikou lze dosáhnout spolehlivého přenosu vláknovými

18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněvlnovody (tj. optickými kabely) a na její bázi je založen vývoj a výroba optoelektronickýchsenzorů a optických vláknových senzorů.4.2 Technologie tlustých vrstev4.2.1 Obecně o technologii tlustých vrstevVrstvové technologie, a to jak technologie tlustých vrstev (dále TLV technologie), tak itechnologie tenkých vrstev (dále TNV technologie), byly zaměřeny z počátku na využití přivýrobě hybridních integrovaných obvodů. Tlustovrstvá technologie sloužila k vytvářenípasivních sítí, vodivých cest, odporů a kondenzátorů v hybridních integrovaných obvodech(HIO). Byla využívána zejména pro výrobu speciálních integrovaných obvodů, prototypů amalých sérií v aplikacích, kde nebylo možné použít monolitické integrované obvody.Důvodem použití byl relativně levný, nevakuový způsob vytváření vrstev specifickýchvlastností. Mezi další výhody tlustovrstvé technologie patří její snadná kombinace selektronickými součástkami nebo obvody, dobré elektrické a mechanické vlastnosti, snadnýzpůsob výroby atd.. Z důvodu pokračující integrace na polovodičových čipech a rozšířeníaplikačních možností v důsledku nových technologií došlo ke změně orientace vrstvovýchtechnologií na využití ve speciálních a nekonvenčních aplikacích. Je to např. oblastvojenských aplikací, dále oblast aplikací vyžadujících vysokou spolehlivost, dlouhouživotnost nebo netradiční provedení, Obrázek 4.1.a) při výrobě fotografického přístroje b) ve zdravotnictví – jednorázové stříbrochloridovéelektrody pro elektrokardiografy, elektromyografy aelektroencefalografy.Obrázek 4.1: Využití TLV technologie v netradičních aplikacích (podle Dupot [3])TLV technologie vychází z tiskařské techniky používané pro různé tiskařské aplikace,aplikace v užitném umění, v návrhářství, apod. Proto se v těchto oborech objevuje také vespojení s elektronikou např. při návrhu osvětlení, apod.V oblasti elektroniky jsou pod pojmem nekonvenční (netradiční) aplikace tlustýchvrstev označovány aplikace, které se odlišují od klasického pojetí s obvodovými prvky.Vychází z různých principů založených na fyzikálních a chemických jevech, při jejichžvyužívání jsou aplikovány tlustovrstvé materiály. Pod pojmem klasické TLV aplikace jsouobecně chápány elektrické obvody vytvořené TLV technologií, které mají jednoznačný

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 19elektrický model. Naproti tomu obvody, ve kterých je využit takový děj (fyzikální,chemický,…), při němž je signál šířen jinou cestou než elektrickou, jsou obecně řazeny dooblasti nekonvenčních aplikací tlustých vrstev. Pole nekonvenčních aplikací se v současnostivelmi rychle rozšiřuje a vyvíjí. Důsledkem tohoto vývoje je neustálý nárůst nových aplikací(např. TLV pojistky a pod.), které leží na rozhraní klasických a nekonvenčních aplikací. Takdochází k situaci, kdy přestává existovat jednoznačně vymezená hranice daná výše uvedenoudefinicí. Mezi nejvýznamnější využití tlustých vrstev v oblasti nekonvenčních aplikací lze vsoučasnosti zahrnout oblast optických displejů, topných elementů, solárních článků, antén pročipové karty, vysokonapěťové izolace, rychlých tlustovrstvých pojistek, vysokoteplotníchsupravodičů, piezoreproduktorů a hlavně senzorů.Tlustovrstvé senzory mají výhody výrobní technologie – snadná výroba, vysokámechanická a elektrická odolnost, snadná návaznost na další obvody a zejména nízká cena.Mimo samotného senzoru mohou plnit části vyrobené tlustovrstvou technologií ještě dalšídůležité funkce. Jedná se o topné elementy, kontaktní plošky pro pájení, pasivní a vodivé sítě,atd. V prostředí s nečistotami mohou být použity krycí pasty pro ochranné účely. Na substrátumohou být vyrobeny mimo vlastního senzoru také obvody pro zpracování signálu ze senzoru.U tlustovrstvých senzorů lze nalézt dělení podle základního funkčního principu (téždělení podle typu past). Toto členění vychází z volby a také z dostupnosti past použitých přivýrobě tlustovrstvých senzorů. Tlustovrstvé senzory rozlišujeme na:• senzory založené na obvodovém principu – využívá se změn parametrů elektrickéhoprvku v obvodu (zejména kapacity a odporu), který je vytvořen pouze z běžných past(vodivá, odporová, dielektrická),• senzory založené na vlastnostech past – využívá se změn parametrů elektrického prvku vobvodu, který je tvořen mimo běžných past také pastou speciální (termorezistivní,piezorezistivní, enzymové atd.) nebo pastou standardní, která je výrazně citlivá nasnímanou veličinu.4.2.2 Technologie výroby a používané materiályU technologie tlustých vrstev je nejběžněji používanou technologií výroby sítotisk, zakterým následuje výpal, resp. vytvrzení vrstev za zvýšené teploty. Sítotisk je nenáročný,nevakuový způsob nanášení tixotropních materiálů. Jednotlivé vrstvy se vytvářejí tiskempasty na očištěný substrát přes sítotiskovou šablonu, která určuje výsledný obrazec vytvořenýna substrátu. Techniku sítotisku ukazuje Obrázek 4.2.Motiv šablony je zpravidla vytvořen fotolitografickou cestou. Sítotiskové šablony seskládají z kovového rámu a sítotiskové tkaniny. Materiálem vláken tkaniny je nejčastějinerezavějící ocel, polyester nebo nylon. Vrstvy se tisknou nejčastěji na keramický, skleněnýnebo polymerní substrát, který musí mít hladký, rovný a homogenní povrch. Nejčastějipoužívaným materiálem substrátů je korundová keramika. Stručné rozdělení substrátovýchmateriálů ukazuje Tabulka 4.1.

20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněObrázek 4.2:Proces nanášení tlusté vrstvy na substrát metodou sítotiskuTabulka 4.1:Přehled substrátů používaných pro tlustovrstvé senzory• keramika – 96% Al 2 O 3 (korund), AlN, 99% BeO, LTCC (lowtemperature cofired ceramic) materiály, atd.ANORGANICKÉ• zirkoniové substráty ZrO 2• sklo• ocel (s izolační dielektrickou pastou)ORGANICKÉ• polymery – polyester (Mylar), polyimid (Kapton) a další• FR4 – pro polymerní pasty, méně častéPodle materiálu substrátu můžeme rozlišit dva základní typy tlustovrstvé technologie(viz. Tabulka 4.2) - cermetová TLV technologie a polymerní TLV technologie.Tabulka 4.2:Dva základní typy tlustovrstvé technologie:• Cermetová tlustovrstvá technologie(cermet thick film)používá skla na anorganické bázi, sklo-keramika akeramika-sklo-kov složené suroviny pro vrstvy arelativně vysokoteplotní vypalovací proces• Polymerní tlustovrstvá technologie(polymer thick film – PTF)založena na polymerech a polymerníchsloženinách s nízkou vytvrzovací teplotou

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 21Suroviny pro tlusté vrstvy jsou k dispozici ve formě tzv. past. Pasty se skládajíz těchto hlavních složek:• funkční fáze, která je tvořena kovovým práškem (Pt, Pd, Ag, Au, atd.) ve vodivýchpastách, kovy a nebo kovovými oxidy (RuO 2 , Bi 2 Ru 2 O 7 ) v odporových pastách, akeramikou a sklem (Al 2 O 3 , BaTiO 3 , skelná frita, aj.) v dielektrických pastách.• anorganické vazební materiály v práškové formě (nízkotavná skla a oxidy – (Al 2 O 3 , WO 3 ,Y 2 O 3 , Bi 2 O 3 , CuO 2 , BaTiO 3 , PbO 2 , B 2 O 3 , SiO 2 , aj.), které vytvářející při výpalu oxidovounebo skelnou vazbu na substrát.• organické pojivové prostředky, které slouží jako tixotropní nosič (pojivo) pro práškovéanorganické složky před vypálením pasty. Jsou tvořeny z těkavých (rozpouštědla) anetěkavých (polymery) organických látek. Tato složka je odstraněna během vypalovacíhoprocesu.• modifikační materiály tvoří malé množství speciálních aditiv (přísad), které řídí chovánípast před a po jejich zpracování.Složení pasty se liší podle funkce vrstvy, kterou má vrstva vykonávat. Pastyrozeznáváme standardní (vodivé, odporové, dielektrické) a speciální (termorezistivní,biocitlivé, piezoelektrické, apod.). Blíže je funkce past a jejich využití v senzorové technicepopsána v níže. V poslední době se objevuje rostoucí tendence k určité jednotnostitlustovrstvých materiálů vhodných pro jednotlivé procesy. Další vývoj směřuje k aplikacímekologických materiálů (např. Ag pasty bez NiO a s obsahem PbO pod 0,1%, Au pasty bezCdO, atd.).Mimo sítotisku se pro nanášení tlustých vrstev ještě používají techniky stříkání (řízenérozprašovací hlavice), namáčení a jiné. Fotocitlivé tlusté vrstvy se nanáší technikou Fodel®(DuPont,[3]), která se skládá z nanesení souvislé tlusté vrstvy obsahující fotocitlivý polymersítotiskem, osvícení ultrafialovým zářením přes šablonu, vyvolání a výpalu.Po natisknutí vrstvy metodou sítotisku na substrát musí být umožněno její slití (tisk přesmřížku vede k vytváření linek od ok sítě). Dále se vrstva před vypálením zasušuje. Tím seodstraní těkavé látky. Požadovaná sušicí teplota závisí na rozpouštědlech a pohybuje se od100°C do 150°C po dobu 5 až 15 minut. Výpal je nejkritičtějším krokem tlustovrstvovétechnologie. Nejdůležitější parametry jsou atmosféra a teplotní profil, který je dán druhempoužité pasty. Běžné pasty se vypalují při teplotě od 600ºC do 1100ºC po dobu 10 minut,typická hodnota je 850°C. U speciálních past např. enzymových, piezoelektrických nebomagnetorezistivních mohou být stanoveny teploty nižší. U těchto past mohou být využitymateriály pro substráty s nižší teplotou tání. Některé z těchto past mohou být využity i propolymerní TLV technologii, u které je vytvrzovací teplota podstatně nižší, obvykle kolem150°C. Vypalování tlustovrstvých past je poměrně složitým procesem, ve kterém jsou v prvnífázi vypálena organická pojiva a rozpouštědla, dále jsou kovové prvky sintrovány, přičemžkeramické a skleněné složky vytvářejí vazbu mezi kovy a substrátem.U vytvářených obvodů se tisknou a vypalují jako první vodiče a spodní elektrodykondenzátorů, a dále následují jednotlivé odporové vrstvy, dielektrikum a horní elektrodykondenzátorů. V některých případech se odporové vrstvy chrání ještě vrstvou ochrannéskloviny. Jestliže není substrát umístěn do kovového nebo keramického pouzdra, jsou na nějpřipojeny vývody a je na něj nanesena ochranná pouzdřící vrstva skloviny. Obecně platízásada, že každá vrstva vyrobená TLV technologií se vytváří tiskem a výpalem, přičemžvýpaly následujících vrstev se provádějí postupně při nižších teplotách. Tiskem a výpalem lzeu rezistorů a kondenzátorů dosáhnout tolerance ±(20 až 30)%. K dosažení užších tolerancí je

22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněnutné tyto vrstvy dostavit na požadovanou hodnotu trimováním pomocí otryskáváníkřemenným pískem nebo trimovaní laserem.4.2.3 Tlustovrstvé senzory založené na vlastnostech pastU senzorů využívajících vlastností tlustovrstvých past se využívá schopností pastreagovat na podněty vnějšího okolí změnou některých svých parametrů. Přitom si tlustévrstvy zachovávají své charakteristické rysy, vysokou odolnost a dobrou stabilitu, jež je nutnápro dosažení reprodukovatelnosti senzoru. Pasty lze u této skupiny senzorů rozdělit nastandardní pasty (vodivé, odporové, dielektrické) a speciální pasty připravené pro danouaplikaci.Tabulka 4.3:Přehled speciálních past používaných v senzorových aplikacíchSpeciální pasty:termorezistivní:• NTC termistorové pasty, oxidy Mn, Co,Cu, Ni, Fe, Ti, Zn, Mg, Cr, Li• PTC termistorové pasty: na bázi BaTiO 3 ,TiO 2 , VO 2 , V 2 O 3• pasty pro RTD na bázi Pt, Ni• nízkoteplotní termistory: RuO 2 , (vykazujírovněž magnotorezistivní vlastnosti)citlivé na vlhkost:• polymerní sloučeniny• hydrotalcitní protonické vodiče• cermetové pasty: SnO2, ...chemicky citlivé:• pevné elektrolyty: ZrO 2 , ...• pasty na bázi oxidů kovů: SnO 2 , WO 3 ,TiO 2 , ...• polymery: polyelektrolyty, uhlíkovépolymerní vrstvy, polyetheruretan,...biocitlivé:• polymerní lože s receptorovými částicemimagnetorezistivní:• na bázi Niferomagnetické:• obsahující feromagnetické složkypyroelektrické:• polymerní – PVDFpiezorezistivní:• cermetové piezorezistivní pasty• PTF: C a Ag polymerní sloučeninypiezoelektrické:• na bázi BaTiO 3• na bázi PZT (olovo, zirkon, titan),vykazují i feroelektrické vlastnosti• piezoelektrické polymery: PVDFdalší oblasti (např. vysokoteplotnísupravodiče, atd.)Speciální pasty se vyrábí pro příslušný typ aplikace záměrným přidáním funkčníchlátek, které se vyznačují požadovanými vlastnostmi do základního materiálu, případněpoužitím zcela nových materiálů nebo technologického zpracování. Pro fyzikální senzorymají uplatnění např. termorezistivní, piezorezistivní, magnetorezistivní a další materiály. Vchemických senzorech se využívá speciálních past pro měření vlhkosti, iontové koncentrace asložek plynů. Růst významu lékařských sledování a diagnostik byly podnětem pro inovaci voblasti speciálních materiálů pro biosenzory (např. vodiče typu Ag/AgCl, které lze tisknout napolymerní substráty). V současné době probíhá vývoj v oblasti hydrotalcitních protonickýchvodičů, feromagnetických past a dalších nových, speciálních past. Avšak z důvodů vysokýchnákladů spojených s jejich aplikacemi bylo vynaloženo značné úsilí na úplné využitívlastností standardních past. Stručné rozdělení nejčastějších speciálních past uvádí Tabulka4.3.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 23Běžné (standardní) pasty nejsou vyvíjeny pro specifické senzorové aplikace, ale byla unich objevena příslušná, původně někdy i nežádoucí závislost (termorezistivní,piezorezistivní, atd.).Běžnými pastami se realizují např. termočlánky, kdy je přechod vytvořen ze dvourůzných vodivých past. Protože u některých „běžných“ vodivých past je rozsah teplotníhokoeficientu změny rezistivity (TCR) 1000 až 3500 ppm/°C, [4], mohou být využity protermistory. Typickou vlastností tlustovrstvých past je výrazná piezorezistivní závislost, a to iu běžných rezistorů (resp. rezistorových past). Toho se využívá pro převodníky tlaku. Zde semimo klasických past na korundovém substrátu využívají i polymerní pasty (PTF), které majínižší vypalovací teplotu a mohou být nanášeny na širokou škálu materiálů. Nejčastějšímateriály standardních past jsou shrnuty viz. Tabulka 4.4.Tabulka 4.4:Přehled standardních past používaných v senzorových aplikacíchStandardní (komerční) pasty:vodivé pasty (vodiče, kontakty, elektrická propojení, ...):• cermetové:na bázi Ag (Ag, Pd Ag, Pt Ag, Pd Pt Ag),na bázi Au (Au, PtAu, PdAu),na bázi Pt, na bázi Mo, W, Cu, Ni, ...• cermetové: složené z drahých kovů,oxidů a nízkotavných skel (RuO 2 , Ru 2 O 7 ,Pd, Ag, ...),rezistorové pasty:dielektrické, krycí a izolační vrstvy:• polymerní: směs aktivních vodivýchmateriálů Ag, Ni, Cu, C a pojivové složkytvořené organickými polymery (polyester,epoxid, acrylic, vinyl)• polymerní rezistorové materiály: pastypro vypalování při nižších teplotách• keramika a sklo: (oxidy kovů, skla) pastypro dielektrika kondenzátorů, izolace mezihladinami, ochranné a krycí vrstvy, atd.• polymery: vícevrstvé obvody, ochrannépovlaky pro nepříznivé prostředí(termosety), atd.4.2.4 Tlustovrstvé senzory využívající elektrických prvkůMezi nejrozšířenější a snadno realizovatelné tlustovrstvé senzory patří senzory založenéna změně elektrické veličiny některého prvku v elektrickém obvodu. U obvodových prvků sevyužívá přímé změny parametrů jako odporu, kapacity, proudu, napětí a dalších elektrickýchveličin na měřené veličině. Protože se nevyužívá vlastností past (ať speciálních nebo běžných)a k výrobě se tedy používají pouze běžné pasty, jsou tyto senzory levné. Z pohleduobvodového řešení však bývají náročnější. Senzory nachází uplatnění nejčastěji v oblastiměření tlaku, teploty, zrychlení apod.Příkladem využití obvodového principu je kapacitní senzor. Jedna elektroda je vytvořena nasubstrátu a druhá je jako uzemněná membrána umístěna v definované vzdálenosti od

24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněsubstrátu. Změna vzdálenosti, způsobená pohybem nebo průhybem membrány vyvolá změnukapacity, jež je úměrná příčině této změny.Obrázek 4.3 znázorňuje senzor tlaku který pracuje na principu změny kapacity.Obrázek 4.3:Princip senzoru tlaku využívající kapacitní principPoužije-li se jako dielektrikum pórovitý materiál, dochází ke změně relativní permitivitydielektrika a kapacitní senzor lze využít pro měření vlhkosti. Výhodou jsou nízké náklady,spolehlivost a odolnost.Dalším příkladem senzoru využívajícího změny parametrů obvod je jednoduchýodporový snímač polohy, Obrázek 4.4. Je tvořen odporovou vrstvou s vývody po níž sepohybuje běžec s vývodem, který je vhodným způsobem upevněn na sledované těleso. Odpormezi vývodem běžce a jedním z vývodu je funkcí vzdálenosti běžce od vývodu odporovévrstvy. Jestliže je odporová vrstva ve tvaru části mezikruží lze sledovat úhlové natočenítělesa. Odporový senzor není využíván jen pro měření polohy samotného, ale po vhodnémpřevodu sledované veličiny na polohu i k měření rychlosti, akcelerace, tlaku, teploty aj.Obrázek 4.4:Princip odporového snímače polohy4.3 Technologie tenkých vrstevTenkovrstvou technologií jsou označovány všechny techniky jež umožňují depozicianorganických vrstev s tloušťkou do 1 µm fyzikálními metodami. U některých technik jesamozřejmě možné dosáhnout i větších tloušťek, ale ve většině případů nejde o ekonomickédepozice, popř. se již značně mění fyzikální vlastnosti deponované vrstvy. Mezi technologietenkých vrstev patří iontová a plazmová depozice známá spíše pod názvy vakuové napařování(vacuum evaporation), naprašováním (sputtering), a elektrodepozice (electrochemical

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 25deposition), sol-gel techniky a laserové depozice (laser ablation). Těmito metodami se získajívrstvy, ve kterých se pomocí masky vytvářejí motivy následným selektivním leptáním,popřípadě deponováním přes masku, tj. přímým vytvářením motivu.Tenkovrstvé technologie jsou využívány především v realizaci vodivých, odporových adielektrických vrstev. V oblasti senzorové techniky jsou však vytvářeny i vrstvy speciální. Uněkterých materiálů lze vysledovat i polovodičové vlastnosti, např. byl realizován tenkovrstvýtranzistor, piezorezistivní nebo piezoelektrické materiály (PZT) pro měniče (převodníky)mechanického namáhání, polovodivé oxidy kovů s katalytickými vlastnostmi pro plyny aorganické výpary apod. Po nanesení vrstev obsahují tyto vrstvy značné množství strukturníchnehomogenit a defektů. Ve vrstvě proto mohou probíhat děje projevující se dlouhodobýmizměnami elektrických parametrů a směřující k dosažení termodynamické rovnováhy systému.To lze urychlit preventivním vystárnutím vrstvy za zvýšené teploty. Např. vrstvy NiCr sestabilizují při teplotě 300ºC po dobu 1 hodiny, pro docílení vysoké stability dále při teplotě200ºC po dobu 24 hodin. Vrstvy TaN se stabilizují při teplotě 300ºC po dobu 16 hodin.Stabilizované vrstvy vykazují velmi dobré elektrické vlastnosti.4.3.1 NaprašováníJe-li pevný (nebo tekutý) materiál bombardován atomy, viz. Obrázek 4.5.a), ionty nebomolekulami, dochází k mnoha fenoménům. Ten který je více možný nebo dominuje závisí nakinetické energii bombardovacích částic. U velmi nízkých kinetických energií (

26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brnějsou umístěny na anodě. V doutnavém výboji není potenciál rozložen rovnoměrně, nýbrž tvoříkatodový spád.Obrázek 4.6:Přeměna neutrálního atomu na kladný iontObrázek 4.7:Katodové naprašováníKladné ionty plynu vznikající ve výboji jsou unášeny směrem ke katodě a dopadají naní téměř rychlostí, kterou získaly v prostoru katodového spádu. Bombardováním urychlenýmiionty inertního plynu se z katody uvolňují částice ve formě neutrálních atomů a částečně iiontů, které se usazují na okolních tělesech a tedy i na podložkách umístěných na anodě.Mechanismus katodového naprašování je vysvětlován tak, že je rozhodujícím dějem přikatodovém rozprašování je předávání impulsu bombardující částice částicím krystalovémřížky materiálu katody. V nejjednodušším případě může nastat přímé předání impulsu iontučástici, která je emitována. Tento případ je však málo pravděpodobný a přispívá k celkovéhodnotě rozprášeného množství podílem pouze několika procent. Značná část iontů pronikátotiž poměrně hluboko do materiálu katody a jejich impuls se předává postupně od jednohoatomu k druhému. Prahová energie katodového naprašování neodpovídá hodnotěvypařovacího tepla příslušné látky, ale je vždy vyšší.Tato technika se v zahraničí nazývá DC sputtering. Katodové naprašování bylo dříveoznačováno jako tantalová technologie, kdy pro odporové vrstvy byly použity vrstvy TaN apro dielektrické Ta 2 O 5 . První krokem jednoduchého postupu vytváření tenkých vrstev toutotechnologií bylo nanášení vrstvy Ta, z níž se vytváří tepelnou oxidací oddělovací vrstvaTa 2 O 5 . Dalším krokem je vytvoření odporové vrstvy Ta 2 N. Posledním krokem postupu jenanášení vodivé vrstvy NiCr, sloužící jako difúzní bariéra a vrstva Au.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 27Obrázek 4.8:Princip směrování částic vlivem elektrického (E) a magnetického (B) poleDalším vývojem byla vyvinuta technika magnetronového naprašování (magnetronsputtering), kde target s naprašovacím materiálem je během procesu umístěn v silnémmagnetickém poli, viz Obrázek 4.8. Touto technikou se dociluje mnohem koncentrovanějšídepozici díky směrováním částic vlivem magnetického pole do středu. Příklad takovétokatody a vytvořeného plazma představuje Obrázek 4.9. Je-li hlavice katody vyrobena stejnějak ukazuje, budou se částice pohybovat po kružnicích od katody k anodě. Nebude tedydocházet k neefektivnímu rozptylu částic do krajů depoziční komory.Obrázek 4.9:Katoda s magnetronem a vytvořené plazmaObrázek 4.10: Konstrukce magnetronu: A – elektrické pole, B – přiložení magnetů, C –působení pole na částice, D – kruhový pohyb částic v magnetickém poliDalší technikou je tzv. vysokofrekvenční naprašování (RF sputtering), kde systémobsahuje třetí elektrodu, jež je nevodivá (izolant). Mezi katodou a anodou je DC pole avytváří se plasma jako u DC sputtering metody. Mezi anodou a izolační elektrodou jepřivedeno vysokofrekvenční napětí (řádově MHz). Povrch izolačního materiálu se tak stáváv půlperiodách negativně nabit oproti plazmě a dochází k naprašování na povrch izolantu.Kompinace vysokofrekvenčního a magnetronového naprašování (RF magnetron sputtering) je

28 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brnětaktéž možná ke zvýšení intenzity naprašování. Naprašování je velmi běžně užívaná metoda,protože zařízení jsou cenově velmi dostupná.4.3.2 NapařováníVakuové napařování je fyzikálně odlišné od naprašování. Řadí se mezi nejjednoduššítechnologie výroby tenkých vrstev. Částice nanášeného materiálu jsou uvolňovány zmateriálu důsledkem jeho zahřívání v uzavřeném systému nebo je do něj přiváděn jeden čisměs plynů podle toho, jaká elektrochemická reakce je požadována. Chemické napařování(CVD – chemical vapor deposition) lze rozdělit na několik typů: dekompozice, disproporce,polymerizace, redukce, oxidace, nitridace.K dekompozici, viz. Obrázek 4.11.a), dochází za pyrolýzy, tj. zahřívání materiálu.V uzavřeném systému se ustaví rovnovážný tlak nazývaný tenze nasycených par. Je-li v tomtosystému porušena rovnováha a v určitém místě je teplota nižší, dochází v tomto místě kekondenzaci par. Tím jsou vytvořeny podmínky pro přenos materiálu z místa o vyšší teplotě (zvýparníku) do místa o teplotě nižší (na podložku, na níž roste tenká vrstva). Rychlostdepozice tak závisí na teplotě substrátu, viz. Obrázek 4.11.b). Ohřívání materiálu provypařování může být zajištěno odporovým ohřevem, iontovým svazkem, vysokofrekvenčnímohřevem atd. Celý proces napařování probíhá ve vakuu 10 -4 ÷ 10 -6 Pa z důvodu zvětšenístřední volné dráhy molekul nanášeného materiálu.Dekompoziční vakuové napařování bylo používáno často k nanášení vrstev NiCr a SiO(vžilo se také označení chromniklová technologie), kdy je na podložku nanesena vrstva NiCr.Po jejím nanesení je vytvořena vrstva Ni tvořící difúzní bariéru a adhezní podklad provodivou vrstvu Au.Disproporční napařování vychází z využití plynu o dvou prvcích AB přicházejícího dostudené oblasti, kde pouze A je deponován na studenější substrát. Tato technika se využívápřevážně pro epitaxi křemíku nebo germania. Teplotní spády jsou pro Si 1000°C/950°C, progermanium 300°C/250°C. Pro epitaxi se užívá jodid křemíku nebo germánia. Rychlost růstuje poměrně vysoká, u germania činí až 400 Å/s.a) zařízení b) závislost na teplotě substrátuObrázek 4.11: Vakuové dekompoziční napařováníAnorganické i organické polymery lze připravit z monomerní páry elektronovýmsvazkem, UV zářením nebo doutnavým výbojem. Elektronový svazek je znám u litografie,UV záření u výroby masek pro sítotisk, kde se využívá fotocitlivých rezistů. Nepolymerní

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 29vrstva se expozicí polymerizuje a stává se tak odolná vůči některým rozpouštědlům.Doutnavý výboj je méně využíván a to jen u monomerů jako např. styren.Redukce, oxidace a nitridace je založena na chemické reakci směsi plynů. Správnouvolbou plynů dochází k určeným reakcím za přítomnosti plynů hydrogenů, chloridů, kyslíkunebo dusíku. Vznikají vrstvy kovů, oxidů nebo nitridů.4.3.3 Elektrochemická depoziceNazývá se také elektrochemická povrchová úprava (electroplating). Můžeme ho rozdělitna depozici v kapalných a nekapalných médiích. Tato technika je velmi využívánav průmyslu. Je výhodná právě pro depozici pomocí masky, tedy odpadá selektivní leptání, ikdyž je samozřejmě možné nejprve vytvořit kompaktní plochu, a poté nanést masku proproces leptání. Tato technika je vhodnější spíše pro nanášení silnějších vrstev materiálů a tohlavně kovových. Lze ji tedy zahrnout, jak do metod tenkovrstvých, tak i do tlustovrstvých. Jevelmi jednoduchá a levná, ale je obtížné získat velmi tenkou homogenní vrstvu jako u prvníchdvou metod bez dostatečného know-how. Záleží na použitém roztoku, podmínkách depozice ačistotě povrchu na který se vrstva nanáší. Metoda využívá Faradayova zákona, kde tloušťkavrstvy l za jednotku času t je definována následovně:JEα= [ cm ⋅ st ρl − 1] , ( 4.1 )kde J je proudová hustota, E je elektrochemický ekvivalent, jenž je úměrný váze materiáludeponovaného průchodem stejné velikostí elektrické veličiny. α je účinnost proudu určenáz poměru experimentálně a teoreticky určené váhy (0.5 ÷ 1), ρ je hustota materiáluv deponované vrstvě.Tato technika slouží pro depozici kovů právě díky jejich dobré vodivosti, kde v roztokuse vyskytují ionty kovů nebo se rozpouštějí z anody. Samotná depozice se vytváří na katodě,kam ionty kovů s kladným nábojem přicházejí vlivem intenzity pole. Techniku lze využít ipro vytvoření oxidových vrstev, kdy se nejprve nanese vrstva kovu a poté se termickyoxiduje. Teplota a doba oxidace určuje tloušťku oxidové vrstvy.Mezi zvláštní techniku elektrodepozice patří anodizace. V průmyslu je velmi častopoužíváno eloxování hliníku, což je vlastně anodizace v kyselém roztoku (H 2 SO 4 , (COOH) 2 ,H 3 PO 4 ) při průchodu elektrického proudu. Hliníkový materiál je v tomto případě anodou.V této oblasti se objevily v posledních letech velké možnosti v oblasti vytváření nanostruktur.Bylo zjištěno, že za určité teploty roztoku, napětí a použité kyselině a její koncentraci, lzevytvořit pravidelnou nanoporézní hexagonálně uspořádanou strukturu, viz Obrázek 4.12.Tvarově lze tuto strukturu přirovnat k včelím plástvím. Rozměry těchto hexagonálních buněkse pohybují od 20 do 500 nm, tedy průměr pórů je podstatně menší. Tento jev byl zatímprokázán u velmi čistého hliníku a titanu. V současné době probíhají výzkumy pro využitítěchto struktur v oblasti senzorů i polovodičových součástek.

30 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněObrázek 4.12:Nanoporézní korund, jenž vznikl anodizací čistého hliníku v kyseliněšťavelové4.3.4 Sol-gel technikyPro depozici tenké vrstvy pomocí nanoprášků se užívá sol-gel techniky. Jedná se opřípravu roztoků organokovů jako např. ethoxidy nebo isopropoxidy rozpustné v organickýchrozpouštědlech, jako např. butanoly a isopropanoly. Jeli tento prekursor smíchán s vhodnýmroztokem či jejich parou dochází k vysrážení nanočástic (precipitátoru) do hustého roztoku(gelu) vznikají vlastně např. hydroxidy. Ponořením substrátu do tohoto roztoku (dip-coating)dochází ke smáčení povrchu a zachycení vrstvy na substrátu. Vrstva není stejnoměrně tenká,využívá se spíše k impregnaci do porézních struktur. Druhou technikou je kápnutím gelu naroztočený substrát (spin-coating). Vlivem odstředivých sil se vytvoří velmi tenká (podlevelikosti nanočástic) homogenní nanostruktura. Výhodnější může být nejprve provéstdepozici prekursorem, a potom připravené vrstvy vystavit působení amonných či vodních park vytvoření precipitátoru. Nakonec je nutné temperovat vrstvu při vyšších teplotáchk rozložení hydroxidů a organických rozpouštědel. Vznikají většinou oxidy, takže se tytotechniky využívají pro přípravu tenkých vrstev keramických kompozitů.4.4 Základy polovodičových technologiíZanášení navržené topologie do polovodivých materiálů (substrátů) je velmirozpracovaná technologie skládající se z mnoha technologických kroků podle toho, co jecílem výroby. Každý krok může být prováděn jinou technologií. Při realizaci planárních čidelje užito nejméně kroků, naopak nejvíce kroků potřebuje realizace integrovaného obvodu.Mezi tyto techniky či technologie patří tažení monokrystalu polovodiče a rozřezání naplátkové substráty, mezi českými odborníky nazývány salámky (angl. wafer), elektronoválitografie pro vytváření masek, epitaxní růst, selektivní leptání, termická oxidace, difůzepříměsí, iontová implantace, naprašování a napařování vrstev, a montážní techniky. Některétechniky už byly popsány výše, proto zde už nebudou zmíněny. Difůze příměsí a iontováimplantace se neužívá pro realizaci mikrosenzorů, proto nebudou také popsány.4.4.1 Elektronová litografieVýznam elektronové litografie spočívá především v principiální možnosti realizovatstruktury submikrometrových rozměrů. Zejména elektronová litografie s vektorovýmvychylováním má některé specifické vlastnosti, které je možno charakterizovat takto:

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 31• Informace o topografii masky, která má být realizována, je připravována ve formědigitálního záznamu. Syntéza funkčních celků a zavádění změn a úprav jsou protoznačně usnadněny.• Informace v této formě je odolná proti poškození.• Expozicí přímo na substrátu umožňuje v relativně krátké době vyvinout funkčněnový obvod nebo ověřit novou technologii.• Elektronová litografie umožňuje vytvořit fotolitografickou předlohu s vysokýmstupněm koncentrace funkčních prvků pro různé druhy projekční litografie.Nevýhodu elektronové litografie je relativně vysoká cena zařízení, takže se pro příméexpozice na substrát hodí jen v případech zvlášť složitých a náročných obvodů prototypů.Inspiračním zdrojem pro konstrukci elektronového litografu byl rastrovací elektronovýmikroskop. Zaostřený elektronový svazek s kruhovým průřezem je vychylován pomocímagnetických nebo elektrostatických polí tak, aby byla vytvořena potřebná topografie masky.Je zřejmé, že pro vytvoření zvlášť složité kresby je zapotřebí mimořádně velkého množstvíinformací. Značnou úsporu informací umožňuje použití svazku se čtvercovým průřezem, dalšízlepšení představuje použití svazku s proměnným průřezem.Elektronová litografie spočívá v přenosu obrazové informace pomocí urychlenýchelektronů. Existuje více principů přenosu informace a podle toho se dělí i elektronovélitografie (zobrazování pomocí masky, přímé zobrazování elektronové). Princip je založen nainterakci elektronového svazku a vhodné látky, citlivé na ozáření elektrony – elektronovéhorezistu. Z technik elektronové litografie přímého zobrazování je nejperspektivnější akvalitativně nejlepší způsob generování obrazců topologie pomocí tvarovaného svazkuelektronů proměnných rozměrů. Elektronový litograf je velmi složité zařízení (viz. Obrázek4.13) po stránce fyzikální, ale i po stránce elektronických funkcí dílčích systémů, zvlášťproto, že měřítkem výsledné činnosti je rozměrová přesnost exponovaných detailů i jejichpolohová přesnost 0.1 µm a menší.Obrázek 4.13: Modernizovaný český litograf na Ústavu přístrojové techniky AVČR

32 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněFotolitografické zpracování je dalším krokem při výrobě. Je to technologický postup,který umožňuje tvarovat vrstvy na substrátu do příslušných obrazců. Je složen ze dvouprocesů - maskování pomocí fotorezistů a chemického leptání tenkých vrstev. Při vytvářenípřímé masky se fotorezist nanáší na celý povrch podložky. Fotorezist se exponuje přesfotomatrici pomocí ultrafialového záření. Účinkem ultrafialového záření dochází u fotorezistuke změnám jeho rozpustnosti v určitých vývojkách. Následuje vyvolání fotorezistu, při němžje odstraněna část fotorezistu s velkou rozpustností ve vývojce. Nerozpuštěná část fotorezistuslouží jako ochranná vrstva při selektivním leptání, při němž je odstraněna část tenké vrstvy.Po leptání se fotorezistová maska odstraní. Fotolitografie se opakuje podle požadovanéhomotivu několikrát. Vodiče a pájecí plošky mohou být zesíleny zlatem pro zajištění dobrévodivosti. Příklad vytvoření tenkovrstvého odporu je uveden na Obrázek 4.14. Povšimnětesi, kolik technik je využito pro jeho realizaci.Vakuovým nanášením s následnou fotolitografií nelze vyrobit rezistory s přesnýmiodpory v úzké toleranci (± 20%). To je způsobeno rozptyly při nanášení, nepřesností masek,podleptáním atd. Proto jsou rezistory do požadované tolerance dále dostavovány.Nejjednodušším způsobem dostavení rezistorů je dostavení elektroerozí, při níž sewolframový hrot o napětí 10 ÷ 60 V vůči opracovávané vrstvě pohybuje po povrchu substrátua elektrickou jiskrou vypaluje do tenkovrstvého odporu drážku nebo přepaluje zkratovacípropojky. Nejpoužívanější metodou je laserové trimování. Metody umožňují odpor pouzezvětšovat. Přesnost je ± 0.1%. Daleko vyšší přesnosti se dosahuje v tzv. matchingu, tj.vzájemná tolerance mezi jednotlivými odpory od referenční hodnoty. To umožňuje vyhnoutse trimování v hodně případech vhodným návrhem obvodového řešení.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 33Obrázek 4.14:Příklad vytvoření tenkovrstvého odporuHodnoty rezistorů se navrhují podle hodnoty stanovené na čtverec, tj. odpor na čtverecse vypočte podle měrného odporu deponovaného materiálu a jeho tloušťky:R□ = ρtloušt' ka[Ω/□], ( 4.2 )Je zřejmé, že nezáleží na velikosti čtverce, hodnotu celkového odporu určuje početčtverců. Potvrzuje se, že určujícím parametrem pro vytvoření přesného odporu je tloušťkamateriálu. Protože pracujeme s tloušťkami v několika desítek či stovek nm a víme, žetechnologické vybavení umožňuje poměrně velkou odchylku od požadované tloušťky, jezřejmé, proč je tak obtížné vyrobit přesný odpor tenkovrstvou technologií.4.4.2 Selektivní leptáníTato technika umožní vytvoření motivů za využití masky a chemicko-fyzikálníchprincipů roztoků a materiálů. Masku tvoří většinou fotorezist, který je polymerizovánelektronovou litografií, nepolymerizované části jsou rozpuštěny a odplaveny. Do polovodičůlze tak vytvářet díry (jámy), které získávají směrem do hloubky tvar určený orientací

34 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněkrystalové mříže materiálu (Obrázek 4.15). Anizotropní leptání umožňuje rychlé leptáníjedním směrem krystalové mřížky a je převážně využívána u technologie, která potřebuje obatypy vodivosti. Základem je substrát většinou s vodivostí typu N. Do vytvořených jam lzeepitaxně deponovat polovodič typu P. Tímto leptáním lze vytvářet také velmi tenkémembrány pro využití u senzorů tlaku, plynů, teploty apod. Byly vyvinuty také techniky,které elektrochemickou cestou za pomocí UV záření mohou do křemíkové substrátu vytvořitmikropóry s pravidelným rozmístěním bez použití masky. Toto pravidelné rozmístění je dánokrystalovou strukturou křemíku.Obrázek 4.15:Příklad leptání jámy do Si za použití masky

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 355 Odporové senzoryCíle kapitoly: Cílem kapitoly je seznámit studenta se piezoelektrickými senzory, jejichprincipem, vlastnostmi a využitím.5.1 Obecné vlastnosti odporových senzorůSkupina odporových senzorů je velmi rozsáhlá a patří do třídy snímačů pasivních.Měřená neelektrická veličina je převáděna na změnu odporu. Odporové senzory proto bývajízapojeny do obvodů s pomocným napájecím napětím nebo proudem. Obvod je nejčastějizapojen jako vyvážený nebo nevyvážený můstek. Velkou výhodou odporových senzorů jejejich jednoduchost.Obrázek 5.1:Náhradní elektrické schéma odporového senzoru a přívodního vedeníNáhradní elektrické schéma ukazuje Obrázek 5.1. Vlastnosti přívodního vedení mohouvýrazně ovlivnit parametry snímače a přesnost měření. Musí platit: R s

36 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněObrázek 5.2:Princip kontaktového senzoru a ideální průběh závislosti odporu navzdálenosti kontaktůKontaktový systém je nejdůležitější částí snímače. Mezi hlavní parametry určujícívlastnosti kontaktového systému náleží dotyková plocha, přechodový odpor, rušivé napětí nakontaktu, mechanické a elektrické opotřebení, rušivé vlivy (znečištění, kmitání a mechanickéotřesy,...). Kontakty musí mít malý přechodový odpor, který lze dále snížit zvětšenímpřítlačné síly kontaktů, při níž však dochází k většímu mechanickému opotřebení kontaktů.Mezi další vlastnosti patří minimální mechanické (otěr materiálu) a elektrické (možnostvzniku elektrického oblouku) opotřebení, stálost odporu při malých proudech a napětích, přimalých tlacích a při působeních různých chemických prostředí. Při návrhu kontaktovéhosystému je proto hlavně důležitá konstrukce, volba pracovního režimu kontaktového systémus ohledem na pracovní podmínky senzoru a volba materiálu kontaktů. Materiál kontaktů jejedním z nejdůležitějších činitelů určujících jakost kontaktového systému. Podle materiálukontaktů lze kontakty rozdělit na:• pevné – materiálem kontaktů je čistý kov nebo slitiny kovů. Volba materiálu pro kontaktyse provádí podle proudového zatížení kontaktů. V senzorice se lze často setkat s kontaktys malým proudovým zatížením. Mezi materiály této skupiny se řadí zlato, platinu, slitinyplatina-indium (5 až 50 % Pt) a platina-paladium, a další. Stříbro, stříbro-platina (5 až 30% Pt), platina-wolfram (5 až 10 % W), paladium-měď (5 až 50 % Cu) jsou materiály častovyužívané v senzorech pro malá zatížení. Ve skupině materiálů pro střední zatížení jsoupředevším wolfram, wolfram-stříbro (17 až 70 % Ag), stříbro-grafit (1 až 20 % grafitu),rhodium a další.• kapalné – jedná se z největší části o spínače se rtuťovým kontaktem. Rtuť je zatavena veskleněné baňce se dvěma nebo více kontakty. Podle polohy senzoru rtuť zaplavuje tytokontakty a tvoří mezi nimi vodivý můstek. Tím jsou dány vlastnosti senzoru. Mezivýhody patří velmi malý přechodový odpor, velmi malá spotřeba energie a velmi maléopotřebení, není třeba zhášecí obvod. K nevýhodám v některých aplikacích náleží citlivostna polohu, větší rozměry a malá rychlost spínání. Rtuťových kontaktů se využívánejčastěji ve snímačích teploty a polohy.Podle konstrukce lze kontakty rozdělit na:• zdvihové – spínání se děje pohybem kolmým ke stykové ploše, vhodné pro miniaturizaci• třecí (smykové) – spínání smykovým pohybem ve směru stykové plochy, vhodné prominiaturizaci• rtuťové – v zatavené baňce vytváří rtuť vodivý můstek mezi kontakty, nevhodné prominiaturizaci,

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 37• polovodičové – většinou triaky se spínáním v nule (Solid State Relay), nebo tranzistoryMOS.Mezi senzory se specifickou konstrukcí patří senzory:• jazýčkové – dvojice plíšků z magneticky měkkého materiálu. Plíšky se zmagnetujípůsobením vnějšího magnetického pole, přitáhnou se navzájem k sobě a nastane vodivéspojení, velmi vhodné pro miniaturizaci, používá se u integrovaných relé v pouzdru DILnapř. od firem Kuan nebo Siemens,• vakuové – velmi rychlé zhášení oblouku na kontaktech, pro vyšší napětí (průrazné napětízávisí na stupni vakua), může být v kombinaci s prvním• uzavřené – pro těžké provozní podmínky (při činnosti v agresivním nebo nečistémprostředí), většinou se vkládá do speciálních pouzder či krabiček s krytím typu IP.Životnost kontaktů se posuzuje podle počtu sepnutí, např. vakuové kontakty mají početsepnutí až 10 8 , rtuťové až 10 6 , mazané kontakty až 10 3 . Doba života kontaktových snímačů sedá zvětšit zapínáním snímačů do elektrického obvodu až při vlastním měření.Skupina kontaktových snímačů je využívána v technické praxi především pro indikacistavu měřené veličiny a k třídicím účelům. Kontaktových senzorů se využívá nejčastěji kměření nastavené mezní hodnoty geometrických rozměrů, teploty, tlaku, zrychlení, vibrací,otáček, hladiny, atd. Ovládání kontaktu může být provedeno pomocí mechanického nebojiného převodu, změnou teploty nebo změnou magnetického pole.5.3 Měřící potenciometryMěřící potenciometry jsou nejjednodušší senzory s plynulou změnou výstupní veličiny.Působením měřené veličiny se mění poloha kontaktu (sběrače), který se posouvá po odporovédráze. Tím je měněn odpor mezi kontaktem a začátkem (koncem) odporové dráhy, Obrázek5.3. Snímače jsou konstrukčně jednoduché a spolehlivé, musí však být dobře navrženy pomechanické stránce, aby měly maximální životnost, malý třecí moment, malý šum a přesnost.V konstrukci měřících potenciometrů lze najít potenciometry druhové, šroubovicové,deskové, rtuťové, elektrolytické a speciální. V mnoha případech je možné použítmikroelektronické technologie pro výrobu kontaktů nebo celého senzoru.Obrázek 5.3:Zapojení potenciometru do obvoduSnímače jsou konstruovány s různým funkčním průběhem mezi změnou odporu alineární nebo úhlovou změnou polohy kontaktu. Vliv odporu zátěže určuje součinitel zatíženíK z . Pro zachování požadované charakteristiky senzoru je nutné, aby zatěžovací odpor snímačebyl co největší, Obrázek 5.4.

38 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněObrázek 5.4:Základní charakteristiky měřicího potenciometruK dalším parametrům senzoru náleží rozlišovací schopnost a přesnost senzoru.Rozlišovací schopnost vyjadřuje jak jemně je možné nastavit dělící prvek. U klasickýchpotenciometrů vinutých z odporového drátu byl odpor měněn při přechodu sběrače ze závituna závit po skocích. U vrstvových potenciometrů je parametr výrazně zkvalitněn a je dánhrubostí povrchu vrstvy. Přesnost vyjadřuje maximální odchylku skutečné hodnoty odporumezi sběračem a začátkem (koncem) odporové dráhy od požadovaného funkčního průběhu.V měřící technice jsou často využívány potenciometry s uhlíkovou vrstvou. Mají velkoupracovní rychlost a upotřebitelnost. Jejich nevýhodami jsou závislost odporu na vlhkosti ateplotě. Vyrábějí se jako lineární, kruhové nebo víceotáčkové šroubovicové.Měřící potenciometry se uplatňují v mnoha měřících obvodech, kde lze převést měřenouveličinu na měření lineární nebo úhlové polohy, např. při měření tlaku, geometrickýchrozměrů, zrychlení, vibrací, výšky hladiny atd.Příklad senzoru využívajícího jednoduché odporové čidlo stavu paliva ukazujeObrázek 5.5 . Je tvořen odporovou vrstvou s vývody po níž se pohybuje běžec s vývodem,který je vhodným způsobem upevněn na sledované těleso. Odpor mezi vývodem běžce ajedním z vývodu je funkcí vzdálenosti běžce od vývodu odporové vrstvy. Jestliže je odporovávrstva ve tvaru části mezikruží lze sledovat uhlové natočení tělesa. Odporový senzor nenívyužíván jen pro měření polohy samotného, ale po vhodném převodu sledované veličiny napolohu i k měření rychlosti, akcelerace, tlaku, teploty aj.Obrázek 5.5:Odporový cermetový senzor stavu paliva (DuPont)

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 395.4 Odporové tenzometryTenzometrický rezistor (tenzometr) je odporový senzor, u něhož je změna elektrickéhoodporu závislá na změně deformací tenzometru (tj. změny geometrických rozměrů, případnězměna krystalografické orientace tenzometru) a na změně teploty prostředí. Pojem deformaceje v této kapitole omezen na deformaci způsobenou tahem nebo tlakem.Tenzometry lze rozdělit podle materiálu a konstrukce na:• tenzometry kovové (drátkové, foliové a napařované),• polovodičové (monokrystalické, polykrystalické).Tenzometrický rezistor se obvykle skládá z vlastního snímače a podložky, kterázajišťuje přenos deformace z povrchu měřeného objektu na vlastní čidlo. Současně tvořípodložka elektrickou izolaci. Podložka se na povrch měřeného objektu lepí speciálnímilepidly (epoxidové pryskyřice, celuloid atd.).Elektrický odpor R homogenního tělesa (vodič nebo polovodič) je přímo úměrný délcevodiče l a nepřímo úměrný průřezu vodiče. Změna odporu ∆R je dána závislostí na změně tétodélky vodiče a jeho průřezu.Platí vztah:∆R= α pp( 5.1 )Rkde p je tlak a α p je tlakový součinitel, který je různý pro různé materiály.Podle konstrukce můžeme rozdělit tenzometry na• tenzometry s volným odporovým článkem. Odporové drátky tenzometru jsou uchycenymezi soustavu držáků. Výhodou tohoto uspořádání je jednoduchý přenos deformace, maláhystereze a malý posun nulového bodu snímače. Nevýhody jsou náročné mechanickéuspořádání a problémy s nízkým rezonančním kmitočtem.• tenzometry lepené. Odporový článek je vytvořený na podložce, která se dále přilepí naměřený objekt. Z klasických materiálů se nejčastěji používá konstantan. Tenzometr sevyrábí s různou konstrukcí, odporové vedení se obvykle vyrábí ve tvaru mřížky.• polovodičové tenzometry. Tyto tenzometry se vyrábí z křemíkového materiálu z důvoduzanedbatelné mechanické a krystalografické hystereze a použitelnosti pro širší rozsahteplot. Vyrábí se buď řezáním, broušením či leptáním monokrystalu nebo planárně difúznítechnologií na křemíkový substrát. Polovodičové tenzometry se lepí buď nafenolformaldehydovou podložku nebo přímo na měřený objekt. V porovnání s kovovýmitenzometry jsou polovodičové mnohem citlivější. Nevýhodou je však velká odchylka odlineární charakteristiky a značná teplotní závislost. Typické parametry polovodičovýchtenzometrů uvádí Tabulka 5.1.Tabulka 5.1: Vlastnosti polovodičových materiálů používaných pro tenzometryMateriál Křemík Křemík Germanium GermaniumTyp polovodiče Typ P Typ N Typ P Typ NMěrný odpor 0,017-0,02 0,35 1 0,25Jmenovitý odpor při 20 ° C 100-350 100-400 50-500 50-300

40 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněSoučinitel deformační 130 -100 až -130 55 -100citlivosti při 20 ° CPracovní proud 20-40 10-20 10-25 5-35Pracovní rozsah±10 -3 ±5.10 -4 ±5.10 -4 ±5.10 -4poměrných deformacíRozměryDélka 4,4-12,7 5-7 10 3,5-10Tloušťka 0,017-0,4 0,1-0,4 0,15-0,5 0,15-0,4Šířka 0,05-0,5 0,05-0,8 0,7-2 0,2-2Měřící obvody využívající tenzometrické rezistory jsou často uspořádány jakoWheatstonův můstek. Příklady konstrukce jednoduchých senzorů uvádí Obrázek 5.6.Obrázek 5.6:Příklady konstrukcí polovodičových tenzometrůTenzometry se používají nejčastěji pro měření tlakové (tahové) síly, tlaku, momentukroucení, zrychlení atd.5.5 Odporové senzory teplotyOdporové senzory teploty pracují na principu výměny tepla. Senzor ovlivňují různédruhy přenosu tepla, přičemž jeden je funkční a ostatní působí jako parazitní. Odvod nebopřívod tepla může být proveden prouděním, vedením nebo zářením. U odporových senzorůteploty je obecný požadavek na použitý materiál, u kterého je vyžadován velký a stálý teplotnísoučinitel odporu. Používají se senzory kovové nebo polovodičové.5.5.1 Odporové kovové senzory teplotyU odporových kovových senzorů teploty se měří vlastní odpor kovu tvořící odporovýčlánek. Požadavky na použitý materiál jsou malá změna teplotního součinitele odporu sčasem, malá hystereze a kovy nesmí reagovat s izolačním nebo ochranným materiálemteploměru. Pro realizaci článku se využívají nejčastěji z čistých kovů platina, nikl, měď,stříbro a zlato a ze slitin stříbro-zlato a platina-iridium. Platina je výhodná pro chemickoustálost, vysokou teplotu tavení a možnost dosažení vysoké čistoty. Proto je platina využitájako etalonový teploměr od – 259.34°C do 630.74°C. Nikl se využívá v rozsahu teplot od- 60°C do 150°C, stříbro lze použít do 200°C, zlato do 400°C a slitina stříbro-zlato do 120°C.Měřící odporový článek se bez planární technologie konstruuje v plochém nebo válcovémprovedení s bifilárním vinutím drátku. Průměr drátku je přibližně 0.04 mm. Jako podložka sepoužívá tvrzený papír, sklo, slída nebo keramika. Při měření se využívá často bezproudového

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 41režimu, méně často proudového režimu, neboť procházející proud ohřívá senzor. Je nutnákompenzace vlivu přívodů.5.5.2 Odporové polovodičové snímače teplotyOdporové polovodičové senzory teploty rozdělujeme na monokrystalické – bez PNpřechodu nebo s jedním nebo více PN přechody, a polykrystalické – termistory (NTC a PTC).Monokrystalické snímače teploty bez PN přechodu využívají závislosti intrinzickéhopolovodiče na teplotě. Výhodou je velká časová stálost měřících odporových článků. Senzoryse mohou konstruovat nejen polovodičovou technologií ale i tenkovrstvou technikou.Monokrystalické senzory teploty s PN přechody naleznete v kapitole 9.Obrázek 5.7:Tlustovrstvý termistor – od tlustovrstvého rezistoru se liší jen typem pasty5.5.3 Odporové oxidokovové termistoryTermistorové senzory jsou založeny na principu změny rezistivity (měrného odporu) sezměnou teploty u kovových oxidů, piezoelektrické keramiky, případně dalších materiálů,Obrázek 5.7. Vyznačují se velkou citlivostí a přesností, zejména pro běžné okolní teploty (vtzv. „biologickém rozsahu“ – 30°C až + 60°C). Odtud také plyne možnost jejich širokéhovyužití v aplikacích pro životní prostředí. Podle teplotního koeficientu změny rezistivity(TCR) dělíme termistory do dvou základních oblastí, na PTC (Positive TemperatureCoefficient) a NTC (Negative Temperature Coefficient) termistory:a) PTC termistoryKonvenční typy PTC termistorů jsou založené na teplotní závislosti elektrickýchvlastností hranic zrn legovaných piezoelektrických keramických materiálů (např. BaTiO 3 ).Vyznačují se strmým nárůstem měrného odporu při určité teplotě, což je určuje zvláště propoužití jako součásti samoregulačních topení, proudové omezovače, atd. Další teplotnězávislé rezistory byly vyvinuty na základě poměrně lineárního chování PTC nalezeného vlehce dopovaném křemíku.Tlustovrstvé pasty s velkým kladným teplotním koeficientem (PTC) změny rezistivityse používají k výrobě senzorových prvků pro přímé měření teploty. PTC termistorovécermetové materiály mají po nanesení a vypálení TCR kolem 3000 – 5000 ppm/°C. Vedletěchto speciálních PTC termistorových past se využívá i standardních vodivých a odporovýchpast, které mohou mít teplotní závislost v rozsahu 1000 až 5000 ppm/°C. Odporová pastamůže být nanesená přímo na substrát nebo na dielektrickou pastu nanesenou na substrát (tatovarianta se vyznačuje větší změnou teplotního koeficientu a lepší linearitou). Pasty na báziBaTiO 3 a polymerní uhlíkové pasty jsou charakteristické prudkým nárůstem odporu při určitéteplotě a proto se často využívají jako teplotní spínače, resp. proudové omezovače. Shrnutíudává následující přehled materiálů pro tlustovrstvé PTC termistory:• speciální termistorové PTC pasty s lineárním nárůstem odporu (3000 – 5000 ppm/°C)

42 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně• běžné vodivé a odporové pasty s velkou teplotní závislostí rezistivity (1000 –5000 ppm/°C)• pasty na bázi BaTiO3 s prudkým nárůstem odporu při určité teplotě• polymerní pasty na bázi uhlíku pro spínací PTC termistoryPro cermetové PTC pasty se většinou používají keramické substráty. Pro polymerníuhlíkové PTC se mimo to používají i polyesterové substráty, které mohou být ohýbány dorůzných tvarů, např. pro vytvoření velice lehkých, nízkoprofilových a flexibilníchsamoregulačních ohřevných článků s vestavěnou proudovou ochranou.Jako konkrétní příklad PTC termistorové pasty může posloužit cermetový termistorovýsystém řady PTC-2600 od firmy Electro-Science Laboratories, Inc. (ESL), [5]. Sérietermistorových past PTC-2600 je určena pro výrobu termistorových vrstev s kladnýmteplotním koeficientem. Používá se pro aplikace s požadavkem na přímé umístění termistoruna substrát. Materiály jsou užitečné všude tam, kde je požadována teplotní kompenzacehybridních obvodů a rychlá odezva senzoru. Pokud používáme pastu jako teplotní senzor,obdržíme lineární odezvu až do teplot přes 300°C. Pasty řady PTC-2600 mohou být použityjako náhrada za diskrétní termistorový čip. Výhody spočívají ve snížení rozměrů současně sesnížením výrobních nákladů. Vlastnosti termistorové pasty řady PTC-2600 ukazuje Tabulka5.2 a Obrázek 5.8.Tabulka 5.2: Vlastnosti cermetového PTC termistoru řady PTC-2600 od firmy ESL [5]Síla vysušené natištěné vrstvy: (na 96% Al 2 O 3 ) 22,5±2,5 µmPoužitá pasta:Rezistivita (25°C)(vrstvový odpor):"Horký" TCR (ppm/°C):(+25°C až +125°C)"Studený" TCR (ppm/°C):(-55°C až +25°C)PTC-2650 5 Ω/ ±10% +4000±500 +4000±500PTC-2611 10 Ω/ ±10% +4100±500 +4100±500Obrázek 5.8: Teplotní závislost elektrického odporu cermetových PTC termistorovýchpast řady PTC-2600 (pro rezistor 1mm x 1mm) vyráběných firmou Electro-ScienceLaboratories, Inc., [5].b) NTC termistory

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 43NTC termistory jsou založeny na principu teplotní změny rezistivity u keramickýchpolovodičů vyrobených z kovových oxidů. Polovodičové oxidy, jako např. přesně řízenésměsi oxidů Mn, Co, Ni, Cu, a Zn, mají záporný teplotní koeficient, tzn., že s rostoucíteplotou jejich rezistivita klesá a naopak [6], [7]. Závislost odporu na teplotě u NTCtermistorů lze vyjádřit vztahem:⎛ ⎛( )⎟ ⎞⎜1 1 ⎞R T = R−⎜ −⎟0exp β ( 5.2 )⎝ ⎝ T T0⎠⎠kde β je materiálová konstanta nazývaná termistorová konstanta a teploty se dosazují vKelvinech. Pro teploty v rozsahu od 150 K do 600 K lze uvažovat [6]:βTCR = −( 5.3 )2TCitlivost NTC termistorů se běžně pohybuje kolem 200 W/°C. Do rozsahu 300°C jsouvelice přesné (typická tolerance termistorů je ± 0.1°C až ± 0.2°C pro teplotní rozsah 0°C až100°C) a vyznačují se výbornou stabilitou [7]. Mají malé rozměry, bývají tedy velmi rychlé aumožňují monitorovat mimo jiné i teplotní šoky a vibrace. Teplotní koeficient změny odporuTCR se pohybuje v rozsahu – 3 až – 6%/°C, [9]. Silná teplotní závislost (= velká citlivost)termistorů ale nemusí být nutně ve všech aplikacích ceněnou vlastností. Pro tyto případy všakexistují i NTC termistorové pasty s nižším teplotním koeficientem, kolem – 7000 ppm/°C.Tlustovrstvé NTC termistory jsou charakteristické velkou flexibilitou návrhu, malýmirozměry a nižšími výrobními náklady ve srovnání s diskrétními součástkami. TlustovrstvéNTC materiály se používají pro generování signálu odpovídajícího měřené okolní teplotě,např. ve významu vestavěné teplotní kompenzace elektrického obvodu. Hodí se i pro příméměření teploty na větší vzdálenosti, protože teplotní závislost drátového vedení je protiodporu termistoru zanedbatelná (na rozdíl např. od RTD). Použitím technologie tlustýchvrstev dosáhneme opakovatelných vlastností, čímž se zvýší vzájemná zaměnitelnost senzorů aodpadne potřeba rekalibrace. Tyto skutečnosti se dnes využívají např. v lékařství, [7].Pro výrobu se používá klasická cermetová technologie: zpracování keramiky, vytvořenía příprava prášku z kovového oxidu, mletí a smíchání s pojivy, nanesení na substrát (většinoukeramický) a vypálení. Rozměry takového senzoru jsou běžně čtverce s délkou hrany okolo0.25mm až 1.5mm, [7]. Proti okolním vlivům se termistory chrání např. fenolickými neboepoxidovými materiály, PVC nebo polyimidy, případně sklem, atd. Jako u PTC past se svýhodou využívají pro aplikace s požadavkem na přímé umístění termistoru na substrát. Jakopříklad vlastností v praxi používaných NTC termistorových past může posloužit série NTC –2100 termistorových kompozic od firmy ESL, [5], Tabulka 5.3 a Obrázek 5.9.Tabulka 5.3:Označení pastyVlastnosti cermetových NTC termistorů řady NTC-2100 od firmy ESLPrůměrné β od -55°Cdo 125°CNominální vrstvovýodpor [Ω/ ]Rozsah odporu [Ω]NTC-2131 300 30 3 – 300NTC-2112 725 0.1 k 10 – 1 kNTC-2113 1700 1 k 100 – 10 k

44 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněNTC-2114 2125 10 k 1 k – 100 kNTC-2115 2500 100 k 10 k – 1 MNTC-2116 3100 1000 k 100 k – 10 MObrázek 5.9: Závislosti odporu na teplotě u NTC termistorových past série NTC-2100firmy ESL. Platí pro rezistor 1mm x 1mm a tloušťku natištěné zasušené vrstvy 25 mm, [5].5.6 Odporové senzory vlhkostiU odporových senzorů vlhkosti je možnost jak přímého tak nepřímého měření.Přímé měření se využívá pro pevné a sypké látky, kdy se systémem elektrod změří vodivostlátky, která je závislá na její vlhkosti. K měření se užívá střídavé napětí. Tato metoda jevýhodná pro měření vlhkosti dřeva, obilí, textilu apod. Tyto senzory patří více do chemickýchsenzorů (Kapitola 11), kde jsou podrobněji popsány.Nepřímé měření je měření, kdy je měření vlhkosti převedeno na měření teploty, rozdíluteplot nebo polohy. Nejčastější jsou pro plyny dvě metody – psychometrická a hygrometrická.Psychometrická metoda využívá rozdílu teplot mezi mokrým a suchým teploměrem, z níž lzeusoudit vlhkost plynu. Hygrometrická metoda je založena na schopnosti některých látekudržovat svoji vlhkost v rovnováze s vlhkostí okolních vzduchu. Změny vlhkosti jsoupřeváděny na změny odporového článku. Podmínkou této metody je vratnost děje.5.7 Odporové senzory zářeníOdporové senzory záření se v polovodičové oblasti dělí na senzory bez PN přechodu(fotorezistory) a na senzory s PN přechodem (fotodiody, fototranzistory).Fotorezistory jsou jednou ze základních elektronických součástek. Jsou to odporovésenzory založené na změně vodivosti polovodiče působením elektromagnetického záření(nejčastěji světelného). Rozlišuje se kladný a záporný fotoelektrický vodivostní jev (kladný –zvětšení vodivosti, záporný – zmenšení vodivosti). U používaných polovodičů se využívákladný fotoelektrický vodivostní jev. Ten je způsoben generací volných nosičů náboje vlivemabsorbované energie. Senzor je často konstrukčně řešen nanesením vrstvy fotocitlivéhomateriálu (např. sirník kademnatý) na podložku a opatřené dvojicí napařených kovovýchkontaktů. Pro dosažení maximální účinnosti je citlivá vrstva navržena do tvaru meandru a je

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 45krytá vrstvou, která je pro záření propustná. Celek je pouzdřen do plastového nebo kovovéhopouzdra.Ostatní typy založené na PN přechodu naleznete v Kapitole 9.5.8 Další odporové senzoryMezi další typy senzorů založených na principu změny odporu patří:• Odporové senzory magnetických veličin – u magnetorezistorů působí magnetické pole naelektrony s rychlostní složkou kolmou ke směru magnetického pole. Výsledné složitédráhy elektronů lze rozdělit na dvě složky: kolmou a souběžnou se směrem elektrickéhoproudu. Kolmá složka vytváří tzv. Hallovo napětí. Podélná složka zvětšuje elektrickýodpor. Nejvíce se magnetoelektrický jev uplatňuje u polovodičů.Magnetodioda pracuje na principu ovládání efektivní doby života nadbytečnýchnosičů proudu vnějším magnetickým polem.• Odporové senzory vakua – princip senzoru využívá odporového kovového nebopolovodičového článku, který je zahřátý na teplotu okolí. Teplota článku je závislá natepelné vodivosti okolního plynu a tato je dána tlakem plynu. V ustáleném stavu platí protepelné ztráty:2P = RI = P + P + Pvzp( 5.4 )kde P v jsou ztráty vedením v plynu, P z jsou ztráty zářením, P p jsou ztráty vedením vpřívodech. Senzory i měřený prostor musí být teplotně stabilizovány. Senzory sevyužívají pro tlaky po 10 -2 Pa, vyjímečně po 10 -4 Pa.• Odporové analyzátory plynů – Kapitola 10.5.9 Elektronické detektory pro odporové senzoryNejcitlivější měření odporu je můstková metoda. Místo galvanometru je užit rozdílovýoperační zesilovač, který zesiluje rozvážené napětí můstku.U DDR 4R 1U NU PR 3R 2U OUTObrázek 5.10: Wheatstonův můstek s rozdílovým zesilovačemR1R4Vyváženost můstku je dána poměrem = . Výsledné napětí je určeno rozdílen napětí ∆UR2R3na vstupu zesilovače a jeho zesílení A.UR32OUT= A ⋅ ∆U= U2−U1= UDD−UDD( 5.5 )R3+ R4R1+ R2R0V

46 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněPoložíme-li odpory stejné, a R 4 jako odpor jenž se působením nějaké veličiny změní o ∆R∆R1= R2= R3= R R = R + ∆R= δ , pak ( 5.6 )RR40.5UOUT = A⋅UDD, ( 5.7 )2 + δcož znamená nelineární závislost výstupního napětí na změně odporu.Jistou linearizaci dosáhneme, zvolíme-li R 3 jako odpor závislý na měřené veličině, tedypodobně∆RR1 = R2= R4= R R3= R + ∆R= δ . ( 5.8 )RPotom můžeme říci, že závislost je lineární, jak ukazuje následující vztah:δ + 0.5UOUT = A⋅UDD. ( 5.9 )2 + δVýhodné uspořádání pro tenzometry ukazuje Obrázek 5.11.R 1R 4 R 2R 3Obrázek 5.11:Membrána se čtyřmi tenzometryZměna odporů na jednotlivých rezistorech se projeví následovně:R1+ ∆R,R2− ∆R,R3+ ∆R,R4− ∆RToto rozmístění odpovídající odporům podle Obrázek 5.10, kde dva odpory svoji hodnotusníží a dva zvýší, zvyšuje citlivost můstku až čtyřikrát.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 476 Kapacitní senzory6.1 Obecné vlastnostiZákladem kapacitního snímače je dvou nebo několika elektrodový systém s parametryměnícími se působením měřené neelektrické veličiny. Pro kapacitu jednoduchého rovinnéhokondenzátoru platí:εrC . .S 0ε= , ( 6.1 )dkde S je plocha elektrod, d vzdálenost elektrod, ε 0 permitivita vakua a ε r relativní permitivita.Z rovnice vyplývá, že změnu kapacity lze způsob změnou plochy elektrod S, vzdálenostielektrod d nebo změnou relativní permitivity ε r :Změna vzdálenosti elektrod (změna d) - Nejjednodušším typem kapacitního snímače jejednoduchý deskový kapacitor s proměnnou mezerou mezi deskami. Za předpokladu, žeS = konstanta a ε r = konstanta platí při změně vzdálenosti elektrod o vzdálenost ∆d prokapacitu vztah:Cpotom platí:Sd + ∆d1= ε0.εr.= ε0.εr.C11=C ∆d1+dSd1( 6.2 )( 6.3 )Charakteristika je nelineární.Změna plochy elektrod (∆S) – je dalším jednoduchým principem kapacitních snímačů.Za předpokladu, že d = konstanta, ε r = konstanta a plocha překrývajících se elektrod jeobdélníková o stranách b a l (viz. Obrázek 6.1), přičemž ploch b = konstanta, lze prokapacitu snímače napsat vztah:ε .r. b.lC 0εd= ( 6.4 )Největší kapacitu c max získáme při plném překrytí elektrod l max a platí:C =Clmaxl max( 6.5 )Charakteristika senzoru je lineární (viz. Obrázek 6.2). Při parazitním vlivu vzdálenostielektrod o vzdálenost ∆d platí:CC=ll1.∆d1−d( 6.6 )max max∆dPři malé změně vzdálenosti elektrod, kdy

48 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně∆dl maxl maxbldlObrázek 6.1:Náčrt senzoru se změnou plochy elektrod s popisem parametrůC/Cmax1∆d / d00.20.100.500.5 1 l / l maxObrázek 6.2:Normalizovaná charakteristika senzoru se změnou plochy elektrodyU změny dielektrika (změna ε r ) se předpokládá, že S = konstanta a d = konstanta. Jsoumožné tři různé způsoby změny kapacity:• změna plochy dielektrika – charakteristika je lineární. Je-li C 0 kapacita bez dielektrika,C kapacita pro určitou délku l vloženého dielektrika mezi desky senzoru (viz. Obrázek6.3) a označíme-li ∆C = C – C 0 , potom platí:∆Cl= . K , ( 6.8 )C0lmaxkde K je konstanta související s konstrukcí snímače.l maxd 1d 2ε 2ε 1dllObrázek 6.3:C AC BNáčrt senzoru se změnou plochy dielektrika s popisem parametrů• změna tloušťky dielektrika – charakteristika snímače je nelineární (Obrázek 6.5).Využívá se dvou materiálu s různou permitivitou jak ukazuje Obrázek 6.4. Např. kapalnédielektrikum a vzduch. Platí:

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 49∆Cε1−1C ε2= , ( 6.9 )d0 d1ε1dd 2+ε2kde d d1 je tloušťka jednoho materiálu dielektrika, d d2 je tloušťka druhého materiáludielektrika, ε 1 je permitivita jednoho materiálu dielektrika a ε 2 je permitivita druhéhomateriálu dielektrika.ε 1d 1d 2dObrázek 6.4:ε 2Náčrt senzoru se změnou tloušťky dielektrika s popisem parametrů∆C/C00.30.20.1ε 1/ ε 21/1001/101/51/20 5 10 d1/d2Obrázek 6.5:Charakteristika senzoru se změnou tloušťky dielektrika• změna permitivity dielektrika – permitivity dielektrika je ovlivněna neelektrickouveličinou. To vede ke změně kapacity snímače. Předpokládá se S = konstanta,d = konstanta, ε r = f(neel.veličina) a konstantní tloušťka dielektrika.Náhradní schéma kapacitního snímače je nakresleno na Obrázek 6.6. Snímačneobsahuje jen čistou kapacitu, ale též indukčnost a odpor. Vliv parazitní indukčnosti jemožné pro většinu případů zanedbat. Odpor R iz představuje svod a dielektrické ztrátykapacitoru C, R V reprezentuje odpor elektrod a přívodů.R izCRCObrázek 6.6:Náhradní zapojení kapacitního snímače

C 13C 23C 13 + C 1350 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněSnímačSpojovací vedeníMěřící obvodR V /2L V /2R iz C C P R ivR V /2L V /2Obrázek 6.7:Zapojení kapacitního snímače k měřicímu obvoduZapojení kapacitního snímače k měřicímu obvodu je na Obrázek 6.7. Odpor R P jeizolační odpor, C P je kapacita kabelu, L V je indukčnost kabelu a R V vlastní odpor kabelu. Za1 1předpokladu, že platí RV, ω LV

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 511y2xObrázek 6.9:34-kvadrantový kapacitní snímač4Kapacitní snímače využíváme především v těch aplikacích, kde se uplatňujejednoduchost jejich konstrukce, malá hmotnost elektrod a další jejich přednosti. Nevýhodouje nutnost kompenzace parazitního vlivu spojovacího kabelu. Jelikož kapacita snímače závisína jeho rozměrech, mohou změny rozměrů snímače způsobené teplotou zapříčinit přinevhodné konstrukci snímače značné chyby měření. Pomocí kapacitních snímačů se měřípředevším poloha (geometrické rozměry), tlaková síla, tlak, krouticí moment, hladina,vlhkost, zrychlení analýzy plynů, atd. Technologie využívaná pro výrobu mechanických částíkapacitních senzorů řadíme do oblasti mikromechanizovaní popsané v kapitole 12.a) pro měření polohyb) pro měření zrychleníPro dobrou linearitu charakteristiky musí být dodrženo homogenní pole mezielektrodami. Toto nebývá splněno na okrajích elektrod jak demonstruje Obrázek 6.10. Z tohodůvodu je u jedné elektrody vyroben stínicí prstenec, který při vhodném spojení s jednouelektrodou homogenizuje pole mezi elektrodami (viz. Obrázek 6.11). Budou-li páry 1,2 nebo2,3 na stejném potenciálu kapacita se nezmění, pole bude homogenní a parazitní kapacity naokrajích jsou potlačeny.

52 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněObrázek 6.10:Průběh pole mezi elektrodami–+31 2Obrázek 6.11:Detail prstence a aktivní stínění snímače6.2 Příklady kapacitních senzorůPrvním příkladem kapacitního senzoru je kapacitní senzor teploty s bimetalovouelektrodou založený na principu změny vzdálenosti elektrod a vyrobený tlustovrstvoutechnologií (Obrázek 6.12) [9]. Druhou elektrodu kondenzátoru tvoří vodivá pasta natištěnána substrátu. Tato elektroda je zapojena do obvodu, bimetalová elektroda je na nulovémpotenciálu. Se změnou teploty dojde k prohnutí bimetalového proužku a tím i ke změněkapacity kondenzátoru. Tuto změnu následně vyhodnotí další elektrické obvody realizovanéna substrátu.bimetalový proužeksubstrátTLV elektrodaObrázek 6.12:Princip činnosti kapacitního obvodového teplotního senzoru s bimetalovýmproužkemHorní bimetalovou elektrodu lze sice do obvodu připojit (např. nakontaktovánímpomocí tenkých Au nebo Al drátků, viz. [4]), vhodnější je ale použít uspořádání se dvěmavzduchovými kondenzátory v sérii, kde bimetalový proužek tvoří společnou horní elektrodudvěma elektrodám natištěným na substrátu.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 53Výhodou takovéhoto senzoru je jeho jednoduchost a nízké náklady (na elektrody nenípotřeba používat speciálních past). Nevýhodou je nutnost umístění bimetalového proužku doblízkosti substrátu, což představuje montážní operaci navíc. Teplotní rozsah a přesnost tohotosenzoru záleží na vlastnostech bimetalového proužku a na geometrickém uspořádání celéhokondenzátoru. Hlavní vliv má velikost a tvar elektrod a vzdálenost bimetalového proužku odsubstrátu (mezera představující vzduchové dielektrikum). Čím bude mezera menší, tím budemít senzor větší přesnost, ale zároveň se sníží jeho měřicí rozsah, a naopak.Dalším příkladem využití kapacitního principu je kapacitní tlustovrstvý senzor proměření atmosférického tlaku. Struktura je obdobná jako u senzoru teploty s bimetalovouelektrodou. Jedna elektroda realizována na keramickém substrátu a druhá elektroda jeumístěna mimo substrát. První uspořádání zobrazené na využívá pružné kovové membránysenzoru realizovaného přímo na substrátu (alternativou může být dielektrická pružnámembrána s nanesenou vodivou vrstvou). Druhá varianta využívá běžný aneroid umístěnýnad substrátem. Toto druhé zapojení je sice velice jednoduché, ale jeho přesnost je omezená,stejně tak jako rozsah měřeného tlaku.vodivá membránavakuumatmosférickýtlakaneroidatmosférickýtlakTLV elektrodaTLV elektrodaObrázek 6.13:Senzory atmosférického tlaku v zapojení s kapacitním převodem změnyatmosférického tlaku na elektrický signál.Pro tvorbu elektrod se používá běžných vodivých past. Většinou jsou to pasty na báziAg, které jsou levnější, ale konkrétní volba materiálu vždy záleží na předpokládané aplikaci.Jako poslední příklad je uveden kapacitní senzor vlhkosti se změnou permitivitydielektrika. Vlhkostní senzory kapacitního typu využívají toho, že sorpce molekul s vysokýmdipólovým momentem, jako je voda, vede ke změně dielektrické konstanty jinak nízképermitivity polymerních vrstev. Se změnou vlhkosti se změní i vlastnosti dielektrické vrstvy atím dojde i ke změně kapacity senzoru, která se následně vyhodnotí.Uspořádání senzoru se skládá z vrstvy vhodného polymerního dielektrika, které seumístí mezi dvě vodivé vrstvy, které tvoří elektrody. Uspořádání musí dovolovat přístupvlhkosti k polymerní vrstvě. To je důvodem využití tzv. interdigitální struktura, která siceumožňuje tvorbu jen malých kapacit, ale nabízí možnost vystavení velké plochy citlivéhopolymeru působení okolí.Kapacitního polymerní senzoru vlhkosti vyráběný firmou Vaisala je zobrazen na(Obrázek 6.14). Jedná se tenkovrstvý senzor, jehož spodní dvojice elektrod je nanesena naskleněný substrát napařováním iridia. Přes elektrody je potom na povrch nanesen ve formětenkého dielektrika citlivého na vlhkost acetát celulózy rozpuštěný v ethylen dichloridu.Horní vrstvu tvoří zlatá elektroda, která je dostatečně tenká a porézní, aby umožnila rychlýpřenos vlhkosti. Horní elektroda plní funkci společné opačné elektrody oběma spodnímelektrodám. Kapacita je přibližně přímo úměrná okolní vlhkosti. Senzor vykazuje hystereziméně než 2% RH a 90% časová odezva je menší než 1s.

54 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněhorní elektroda65kapacita [pF]100 Hzpolymercitlivý navlhkostspodní Auelektrodypřívody605550451 kHz10 kHz100 kHz 1 MHz 10 MHzskleněný substrát 6mm x 4mm,tloušťka 0,2mm0 20 40 60 80 100relativní vlhkost [%]Obrázek 6.14:Senzor HUMICAP, vyvinutý firmou Vaisala, jeho princip a charakteristiky.Polovodičový kapacitní senzor v CMOS technologii byl využit také pro realizacisnímacího čipu otisku prstů. Celý čip se skládá z velkého množství článků uspořádaných domatice a určujících rozlišení. Článek pracuje ve dvou fázích: v první, nabíjecí zesilovač jeresetován, zkratován vstup i výstup invertoru. Během této fáze výstup invertoru se ustálí najeho logické rozhodovací úrovni. Během druhé fáze, určité množství náboje je uzemněno zevstupu, způsobující inverzní napětí na výstupu úměrné zpětnovazební kapacitě. Ta je inverzněúměrná vzdálenosti kůže, přičemž výstupní napětí je lineární závislé na vzdálenosti kůže.Díky určitému pevnému množství odváděného náboje, výstupní napětí invertoru budev rozsahu dvou extrémů závislých na velikosti zpětnovazební kapacity: 1) vysoká úroveň zanepřítomnosti zpětnovazební kapacity; 2) napětí blízko rozhodovací hodnotě za přítomnostizpětnovazební kapacity.Obrázek 6.15:Kapacitní senzor otisku prstůSoučasný prototyp je schopen zaznamenat otisk prstů s rozlišením 390 dpi, což jedostatečné pro vysokou spolehlivost určení pomocí image processing algoritmu. Budoucíprototyp by měl zvýšit rozlišení na 512 dpi.Kapacita senzorů vyrobených tenkovrstvou nebo tlustovrstvou technologií se pohybujev rozsahu 1p ÷ 100 pF. Senzory Texas Instruments 2CP5/2CP50 mají maximální rozsah0 ÷ 650 psi, minimální rozsah 0 ÷ 15 psi, přesnost ± 1.2 % z rozsahu, chyba vlivem teploty± 0.013%/°C. Další senzory této firmy 61CP pracují s vyšší přesností na stejných rozsazích s± 0.75% z rozsahu, vliv teploty ± 0.02%/°C. Oba typy mají napájení 5 V, výstupní napětí vrozsahu 0.5 ÷ 4.5 V. Metoda měření není uváděna.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 55Na změně vzdálenosti pracuje i senzor zrychlení firmy Texas Instruments podoznačením CAS. Umožňuje měřit na minimálním rozsahu 1 g a maximálně do 10 g s citlivostí0.2 až 2 V/g. Chyba ± 3 %, vliv teploty ± 0.03 %/°C. Napájení 5 V. Citlivý element jevyroben tlustovrstvou technologií na keramickém substrátu.6.3 Elektronické detektory6.3.1 Můstkový vyvážený obvodVyužívá Wienstonův můstek modifikovaný pro měření kapacity nebo můstek De Sauty,který je specifický pro měření kapacity, ale tyto systémy potřebují manuální vyvážení můstku.Velmi dobrým řešením je automaticky vyvažovaný můstek, který vyvinul Holmberg []. Jezaložen na můstku De Sauty, jehož výstup je nelineární funkcí odezvy senzoru. Eliminovattuto nevýhodu je možné modifikovaným auto-vyvažovacím obvodem založeným nadigitálním řízení zajišťující lineární můstek.Jak ukazuje Obrázek 6.16 obvod obsahuje zpětné vazby. První tvořená zesilovačem A 1zajišťuje nulové napětí v jednom bodě můstku a vytváří tak závislost kapacitního proudu naC S prostřednictvím R 1 . Druhá zpětná vazba převádí proud tekoucí zesilovačem tvořeným A 2na napětí U O . Toto napětí je porovnáno fázovým detektorem s referenčním napětím U refposunutým o 90º. Počítač čte výstupní napětí fázového detektoru a vypočítává napětí U C/10přiváděné na násobičku pro vyvážení kapacitního proudu. Pak se proud zesilovačem A 2nulový a kapacity jsou si rovné. Je-li nezatížený můstek vyvážen, potom platíObrázek 6.16:Automaticky vyvažovaný můstek podle De Sauty a jeho charakteristikaC0R2UC= C1( 6.12 )R110Převedená změna kapacity ∆C zatíženého můstku je vyjádřena napětím U dcUdcR 2∆f( 6.13 )R π1( C) = ∆CωR AVýstup zatíženého můstku je nulový pro2

56 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněa proR2UC∆ C = C , 1 ( 6.14 )R110Udc( C)( U −U)⎡R2C0CC⎤ R12∆ = ⎢C0 + ∆C− C1⎥ ⋅ωRfA . ( 6.15 )⎣R110 ⎦ R2πMetoda redukuje drifty a offsety obvodu. Standardně je chyba v rozsahu měřené kapacity0÷142 pF lepší než ± 0.1 pF.6.3.2 Nábojově vyvážený SC-oscilátorMetoda je velmi málo citlivá na svodovou vodivost a na drift díky auto-kalibračnítechnice nazývané „tří signálová“ metodaů. Dále eliminuje offsety zesilovačů a komparátorůa zpoždění oscilační vazby. Využívá integrační přerušované techniky se sekvencí +--+,+--+,…., redukuje efekt šumu daný 1/f a drift excitačního signálu V ex . Celková periodevýstupního signálu oscilátoru jeTVˆCVˆCcomp off ex s= T1 + T2= 2 + . ( 6.16 )IˆchIˆchBěhem nabíjecího cyklu měřená kapacita C s je nabita na napětí V ex . Časový interval T 1je určen nabíjecím proudem I ch . Během vybíjecího periody T 2 , C s a C off musí být vybity. C ref aC 01 zajišťují kalibraci během nabíjecího/vybíjecího cyklu.Frekvence oscilátoru je mezi 7÷16 kHz, závisející na signálu senzoru. Standardníodchylka pro případ C s = C ref = 2.2 pF a G s = 0.0005 ÷ 1 µs je 0.01 % a relativní chyba jemenší než ± 0.44 %. Jedná se o velmi přesnou metodu pro velmi malé kapacity.Obrázek 6.17:a) b)Nábojově vyvážený SC-oscilátor a) spínané kapacity b) průběhy6.3.3 Obecné rozhraní pro kapacitní senzoryObrázek 6.18 ukazuje rozhraní inteligentní kapacitního senzoru s více kanály. Systémpracuje s integrační metodou, jednotlivé senzory jsou pomocí multiplexoru připojovány

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 57k měřícímu obvodu, nevzorkovány a odeslány na senzorovou sběrnici. Gerování signálu prosenzory je prováděno D/A převodníkem se samotestováním. Celý systém pracujes poměrovou metodou, kde kapacita senzorů je porovnávána s kapacitou referenční. Celýsystém obsahuje i senzor teploty, jehož hodnoty lze též číst prostřednictvím sběrnice.Obrázek 6.18:Rozhraní pro kapacitní senzoryObrázek 6.19 Výstup senzoruDalšíObrázek 6.19 ukazuje výstup senzoru při změně kapacity po 0.5 pF. Celý mikrosystéminteligentního senzoru byl realizován na malé desce plošného spoje obsahující několik čipůjak ukazuje Obrázek 6.20 v porovnání s jedním americkým centem.Obrázek 6.20 Inteligentní kapacitní senzor

58 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 597 Indukčnostní senzoryCíle kapitoly: Cílem kapitoly je seznámit studenta se indukčnostními senzory, jejichprincipem, vlastnostmi a využitím.7.1 Obecné vlastnostiIndukčnostní snímače tvoří velmi početnou skupinu snímačů, u nichž se měřenámechanická veličina převádí na změnu vlastní nebo vzájemné indukčnosti. Indukčnostnísnímač se vždy skládá z jedné nebo více cívek a bývají zapojeny do obvodu se zdrojempomocného střídavého napětí. Obvody jsou můstkové nebo rezonanční.Obrázek 7.1:Náhradní zapojení indukčnostního snímače se spojovacím vedením propřipojení do měřicího obvoduZjednodušené náhradní schéma indukčnostního snímače se spojovacím vedením propřipojení do měřicího obvodu je uvedeno viz. Obrázek 7.1. Odpor R představuje ztráty vevinutí a ztráty ve feromagnetiku. Kapacity C a C v modelují parazitní kapacitu vinutí a přívodukabelu. Indukčnost L představuje indukčnost vinutí snímače. Hodnoty L v , R v udávajíindukčnost a odpor kabelu. R iz je izolační odpor kabelu. Při návrhu měřicího řetězce je nutnosplnit podmínku:1Rv, ωLv

60 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrnědΦdAUa= −Nz= −NzB( 7.4 )dt dtkde A je účinná (efektivní plocha) a B je magnetická indukce. Pro indukované napětí na cívcelze z rovnic ( 7.2 ) a ( 7.4 ) odvodit vztah:Ua2 1 di= −NZ.( 7.5 )R dtmPro úbytek napětí na indukované cívce platí:diU = L( 7.6 )dta odtud plyne pro indukčnost:2zNL = ( 7.7 )RmZe vztahu pro R m a L plyne, že maximální indukčnosti dosáhneme bez vzduchové mezery.Princip činnosti senzoru spočívá v ovlivňování magnetického odporu R m . To je možnézměnou magnetického toku (senzor s proměnnou vzduchovou mezerou) nebo změnoupermeability (senzory s pohyblivým jádrem). Senzory lze podle uspořádání cívky popř.magnetického obvodu rozdělit na:• Indukčnostní senzor s malou vzduchovou mezerou – rozsah měření je dán přípustnouzměnou vzduchové mezery magnetického obvodu většinou o d = 3 µm až 5 mm.Nelineární závislost senzoru se dá částečně linearizovat zajistíme-li a

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 61• Transformátorové snímače – jsou snímače, u nichž se měřená veličina vyhodnocujeprostřednictvím vzájemné indukčnosti dvou cívek. Z důvodů potlačení vlivu teploty naodpor vinutí a vlivu rozptylového pole se transformátorové snímače konstruují převážnějako diferenční.• Rychlostní indukčnostní snímač – je založen na principu využití vířivých proudů.V planární technologii lze cívky i s jádrem realizovat, ale proces je velmi náročný namateriály a počet operací. Realizuje se jako multivrstvový prvek, kde se jedna cívka navrženájako spirála překryje dielektrickou vrstvou a proces se opakuje, dokud se nedosáhne potřebnýpočet závitů. Realizace jádra je možná využitím speciálních feritových past a jejichsintrováním při vyšších teplotách. Kvalita je horší z důvodu čistoty materiálu (obsahujeadhezni příměsi) a absence tlaku při sintrování.

62 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněGenerátorové senzoryCíle kapitoly: Cílem kapitoly je seznámit studenta s generátorovými (aktivními)senzory, jejich principem, vlastnostmi a využitím.7.2 Termoelektrický článek7.2.1 Obecné vlastnosti termoelektrických článkůTermoelektrický článek (termočlánek) je základem termoelektrického snímače,teploměru využívající Seebeckova efektu. Je tvořen vodivým spojením dvou různýchvodivých materiálů A a B, jimiž mohou být kovy nebo polovodiče elektricky propojených na„horkém“ konci s teplotou T 1 . Nespojené konce obou ramen jsou uchovány na jiné teplotě T 0(„studený“ konec). V případě rozpojeného obvodu je proud protékající přes termočláneknulový a na vývodech na studeném konci můžeme obdržet termoelektrické, resp. Seebeckovonapětí.UEM= ( − ).(T −T) − 0 . ( − β )(T −T)2αAαB 1 05 βA B 1 0( 0.1 )kde α A , α B , β A a β B jsou Seebeckovy koeficienty (resp. termoelektrická síla) materiálů A a B.Ty mají specifické roztažné vlastnosti, určené pásovou strukturou a příslušnými roztažnýmivlastnostmi materiálů. Koeficienty α, β jsou mj. závislé na přesném složení materiálu a jehostruktuře. Hodnoty, které uvádí Tabulka 4, je z tohoto důvodu třeba brát s rezervou.Tabulka 4: Seebeckovy koeficienty vzhledem k olovuKov α [µV/K] β [µV/K 2 ]Antimon 35,6 0,145Bizmut -74,4 0,032Konstantan -38,1 -0,0888Měď 2,71 0,0079Nikl -19,1 -3,02Platina -3,03 -3,25Železo 16,7 -0,0297U EM se na elektricky vodivém přechodu vytvoří vždy, když v okolí vzorku probíháteplotní gradient. Z důvodu symetrie ho neobdržíme na vývodech ze stejného materiálu. Promalé teplotní rozdíly lze toto napětí aproximovat vztahem [6]:U= ( α −α).(T −T) = α (T T )( 0.2 )EM A B 1 0 A / B 1−0Termočlánky většinou vyžadují nějakou formu referenční teploty pro kompenzaciparazitního teplotního posunu na studeném konci. Je možné použít lázeň vody s ledem oteplotě 0°C, což je sice přesné, ale nepraktické. V praxi se používá přímé měření teplotystudeného konce např. termistorem. Z naměřených hodnot se určí kompenzace na správnouhodnotu [21].

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 63Obrázek 0.1:Princip termočlánkuTermočlánky jsou jedněmi z nejpoužívanějších teplotních senzorů. Výhodami jsouzejména nízké náklady, široký teplotní rozsah (– 200°C až + 1760°C) [20], robustnost, rychláodezva a skutečnost, že samy o sobě nepotřebují napájecí zdroj. Nevýhodami jsou: velicemalé výstupní napětí, což je činí náchylné na šum. Navíc termočlánek funguje zároveň jakoanténa, indukuje se zejména napětí o frekvenci 50Hz z napájení, a proto je nutné přidatnízkopásmový filtr pro odstranění šumu. Výstupní napětí termočlánku není lineární steplotou, teplotní citlivost je malá a je požadován senzor na teplotní kompenzaci studenéhokonce. Termočlánky nejsou tak stabilní a přesné, jako jiné teplotní senzory, typická přesnosttermočlánku je kolem ± 1°C [21].Tabulka 5: Normalizované termoelektrické článkyTyp Materiály Rozsah [°C] U t [µV/°C]E Chromel / Konstantan -200 ÷ + 900 70J Fe / Konstantan -200 ÷ +750 56K Chromel / Alumel -50 ÷ +1250 41R Pt / Pt+Rh 0 ÷ +1450 11S Pt / Pt+Rh 0 ÷ +1450 6T Cu / Konstantan -200 ÷ +350 42Normalizovaná spojení dvou kovů ukazuje Tabulka 5. Napětí U t je zaokrouhlené a lišíse podle rozsahu, protože závislost na teplotě není zcela lineární. Hodnoty v celém rozsahulze nalézt v normách ČSN včetně aproximačního polynomu pro výpočet. K prodlouženítermoelektrického článku do místa srovnávacích spojů se používá kompenzačního vedení.Toto vedení je vyrobeno ze stejného materiálu jako příslušný termoelektrický článek svýjimkou vedení pro Pt/PtRh. Toto vedení je obvykle vyrobeno ze slitiny Cu-Ni. Při měřeníteploty termoelektrickým teploměrem je nutno udržovat konstantní teplotu srovnávacíchspojů.U termočlánků se vyskytují dva typy parazitních vlivů:a) chyby měřícího spoje – jedná se o chyby vzniklé mechanickým poškozením, stárnutímtermočlánku (oxidace, koroze) apod.b) chyba srovnávacího spoje – kompenzuje se buď konstantní teplotou srovnávacíhospoje nebo elektricky kompenzací parazitního termoelektrického napětí. Elektrickákompenzace je aktivní nebo pasivní.

64 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněPokud se nebude teplota T 0 udržovat na konstantní hodnotě, vznikne chyba údaje.K samočinnému odstranění vlivu kolísání teplot srovnávacích spojů, které nejsou umístěny vtermostatu, je ještě používá tzv. kompenzační krabice. Je to v podstatě můstek napájený zestabilizovaného zdroje, s jedním teplotně závislým rezistorem. Řada výrobců vyrábí obvodypro přímé měření teploty pomocí termoelektrických článků s kompenzací. Jedním z těchtovýrobců je firma Analog Devices. Jejich monolitické zesilovače termoelektrického napětíAD594 (pro typ J) a AD595 (pro typ K) obsahují přístrojový zesilovač a mají přímovestavěny obvody pro kompenzaci nenulové teploty srovnávacího konce termoelektrickéhočlánku [22]. Základní zapojení ukazuje Obrázek 0.2. Vhodným návrhem zpětnovazebníoperační sítě bylo dosaženo konstantního sklonu 10 mV/ o C celkové převodní charakteristikyměřicího obvodu. Aby byla zabezpečena správná kompenzace chybového napětí termočlánku,které vzniká nenulovou teplotou srovnávacího konce, obsahují AD594 a AD595 také obvodgenerující teplotně závislé kompenzační napětí (blok ice point compensation). Toto napětí sepřivádí na rozdílový zesilovač ve zpětné vazbě. Na invertujícím vstupu rozdílovéhozesilovače se sečítá se zpětnovazebním napětím v patřičném poměru, takže i kompenzačnínapětí působí s převodní konstantou 10 mV/ o C. Podmínkou je umístit srovnávací konectermočlánku co nejblíže tomuto integrovanému obvodu.Obrázek 0.2:Základní zapojení kompenzačního obvodu termočlánku7.2.2 Tenkovrstvé termočlánkyPro realizaci mikrotermočlánků je možné použít tyto i jiné materiály. Technologie dojisté míry změní fyzikální vlastnosti, a proto je nutné stanovení kalibračních křivek běžnýmipřesnými termočlánky. Pro snadnější nalezení materiálů pro termoelektrické senzory bylasestavena Tabulka 6, podle termoelektrického napětí vztaženého k čisté platině. Tabulkusestavil Seebeck v roce 1822.Planární realizaci komplikuje teplotní vodivost substrátu, která musí být co nejnižší.Proto není možné použít běžné substráty jako Si nebo korund, které mají velmi dobrouteplotní vodivost. Řešení s těmito materiály je možné jen za předpokladu velmi tenké vrstvysubstrátu v místě spojení kovů. Tímto je možné eliminovat vliv teplotní vodivosti na hraniciizolačních materiálů. Obrázek 0.3 ukazuje takovéto řešení v tenkovrstvé technologii, kdy nana dilektrickou vrstvu SiO 2 je naprašováním vytvořen ohřevný element z Ni-Cr anapařováním 100 bifilárních termočlánků původně z Cu/CuNi později z Bi/Sb, jenž má lepšíSeebeckovy koeficienty. Nakonec je z druhé strany vyleptáno okýnko do křemíku. Leptání sezastaví na SiO 2 , čímž vznikne velmi tenká membrána s velmi malou teplotní vodivostí.Tabulka 6: Termoelektrická řada materiálů

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 65kov (materiál) Značka U t [mV/100°C]bizmut Bi -5,2konstantan -3,47nikl Ni -1,92paladium Pd -0,28platina Pt 0uhlík C +0,25wolfram W +0,65rhodium Rh +0,65měď Cu +0,72iridium Ir +0,68zlato Au +0,80molybden Mo +1,16železo Fe +1,87niklchrom NiCr +2,20křemík Si +44,08telur Te +50Obrázek 0.3:Planární multi-termočlánek7.2.3 Tlustovrstvé termočlánkyTlustovrstvé termočlánky se vytváří použitím dvou různých vodivých past formovanýchdo přechodu ze dvou různých materiálů. Používá se standardních komerčních past. Protožečasto neznáme přesné složení komponent použitých past, stanovuje se generovanéelektromotorické napětí (EMF) experimentálně. Překvapivě bylo nejlepších výsledkůdosaženo použitím odporových past. V následující tabulce jsou uvedeny některé kombinacepast vhodné pro tvorbu termočlánků.Příklad TLV realizace ukazuje Obrázek 0.4, kde je vrstvový planární termočlánektvořený sérií termopárů natištěných na dielektrické vrstvě v aplikaci jako převodník promonitorování interakcí chemických částic a citlivé vrstvy u chemického senzoru.Tabulka 7: Hodnoty elektromotorického napětí (EMF) generovaného termočlánkyvytvořenými z různých tlustovrstvých materiálů, použity byly pasty firem ESL a Dupot

66 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněKombinace pastAgPd ESL 9635ESL 2812 (100 Ω/ )AuPd ESL 6835AESL 2812 (100 Ω / )AgPd ESL 9635ESL 2811 (10 Ω / )AuPd ESL 6835AESL 2811 (10 Ω / )AuPd ESL 6835AAg DP 6320AgPd ESL 9635Ag DP 6320Průměrné naměřené EMF na přechodu[µV/°C]18,916,215,213,39,48,0Obrázek 0.4:Vrstvový planární termočlánek7.3 Piezoelektrické senzory7.3.1 Piezoelektrický jevPiezoelektrické senzory jsou založeny na tzv. přímém piezoelektrickém jevu. Jde o jevfyzikální, při němž mechanická deformace krystalu některých krystalických dielektrickýchlátek způsobí dipólový elektrický moment objemového elementu. Elektrické momenty všechobjemových elementů způsobí polarizaci krystalu. Hodnota elektrické polarizace je číselněrovna fiktivnímu vázanému náboji na jednotkové ploše povrchu, který je kolmý ke směruvektoru polarizace. Po přiložení elektrod k povrchu krystalu vzniknou indukcí na těchtovodivých elektrodách volné náboje. Děj je vratný, tj. přestane-li mechanické napětí působit,vrací se dielektrikum do původního stavu [2].Piezoelektrický jev závisí na směru deformace vzhledem k osám krystalu, viz Obrázek0.5 . Krystal má tři osy, v jejichž směru může být mechanicky namáhán. Elektrický nábojvzniká jen na stěnách kolmých k elektrické ose krystalu.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 67a) Krystal křemene b) výbrus snímačeObrázek 0.5: Piezoelektrický snímačPodélný elektrický jev vzniká působením síly F x ve směru elektrické osy x. Vektorpolarizace P e je rovnoběžný s osou x a je úměrný působícímu mechanickému tlaku:P =Fxe= kppxkp( 0.3 )Sxkde p x je tlak na stěnu s plochou S x = bc působením síly F x , k p je piezoelektrická konstanta(též piezoelektrický modul). Velikost náboje na stěně kolmé k elektrické ose je podle definiceelektrické polarizace dána vztahem:Q = P S = k F( 0.4 )eexpxVelikost náboje na elektrodách není závislá na geometrických rozměrech krystalovéhovýbrusu.Příčný elektrický jev vzniká působením síly F y ve směru mechanické osy y. Vektorpolarizace působí rovněž rovnoběžně s osou x, ale má opačný směr. Pro jeho velikost můžemeopět napsat vztahFyPe= −kppy= −kp( 0.5 )SyPro velikost náboje platíFySx bQe= PeSx= −kp= −kpFy( 0.6 )S ayZ rovnice ( 0.6 ) je zřejmé, že velikost náboje na elektrodách je závislá nageometrických rozměrech. Výbrus s polepy představuje i kapacitor s kapacitou C. Provelikost napětí lze psát:

68 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněQkFae p xU = = = kpFx= kuFx( 0.7 )C C ε 0εrSxkde k u je napěťová citlivost piezoelektrického senzoru.7.3.2 Náhradní elektrické schéma, materiály a využití piezoelektrických senzorůPři působení neelektrické veličiny se piezoelektrický senzor chová jako generátornáboje, jehož náhradní elektrické schéma viz. Obrázek 0.6.Obrázek 0.6:Náhradní elektrické schéma piezoelektrického senzoruPraktické náhradní schéma zapojení s piezoelektrickým senzorem zobrazuje Obrázek0.7. Kapacita C 0 je dána geometrickou kapacitou mezi polepy výbrusu, odpor R 0 je svodovýodpor výbrusu. Nebude-li uvažována vlastní sériová rezonance, bude při polarizaci výbrusunáhradní schéma obsahovat pouze C 0 a R 0 . Kmitočet deformační měřené veličiny (síly) musíbýt nižší než je vlastní kmitočet výbrusu. Piezoelektrické snímače se používají do kmitočtu10 5 Hz.Obrázek 0.7:Praktické náhradní elektrické schéma piezoelektrického senzoruV měřicí technice se používá pro výrobu piezoelektrických senzorů křemen (kysličníkkřemičitý SiO 2 ) a některá feroelektrika, např. titaničitan barnatý (BaTiO 3 ) a zirkoničitanolovnatý (PbZrO 3 ). Základní vlastnosti některých používaných materiálů ukazuje Tabulka0.8.V měřicích zapojeních s piezoelektrickými snímači se jako vyhodnocovacích obvodůpoužívá zesilovačů s tranzistory řízenými polem a nábojových zesilovačů. U některýchsnímačů je unipolární tranzistor jako impedanční oddělovač umístěn přímo v pouzdrusnímače. Stejnosměrné napájecí napětí se přivádí přímo měřicím kabelem.Tabulka 0.8:Základní vlastnosti některých piezoelektrických materiálůNázev seignettova sůl křemen titaničitan barnatýchemický vzorec Na Kc 4H 4O 6. 4H 2O SiO 2BaTiO 3

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 69k p[CN -1 ] 300 2,1 120k u[VN -1 ] 18 5 1max. teplota [ o C] 45 550 110ε r [-] 350 4,5 1200 ÷ 1700mechanická pevnost [MPa] 1,5 . 10 4 1.10 5 8.10 4meze relativní vlhkosti [%] 30 - 85 0 - 100 0 - 100hustota [kg.dm -3 ] 1,77 2,6 5,5Výhodou piezoelektrických senzorů jsou malé rozměry, jednoduchost, mají lineárnípřevodní charakteristiku. Používají se zejména k měření tlaku, tlakové síly, zrychlení,výchylky a mechanického napětí. Příklady využití ukazuje Obrázek 0.8.Obrázek 0.8:Příklady využití piezoelektrických senzorůJeden příklad využití je v oblasti vážení hmotnosti, kde se využívá piezoelektrický rezonátor.Jeho náčrt a realizaci jako mikrováhy ukazuje Obrázek 0.9 [23].Obrázek 0.9:Piezoelektrická rezonanční mikrováha

70 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně7.4 Indukční senzoryU indukčních senzorů se změna měřené neelektrické veličiny převádí na změnumagnetického toku Φ budicího obvodu, která vyvolá ve snímací cívce indukované napětí:dΦu = −Nz( 0.8 )dtdΦkde N z určuje počet závitů cívky a je časová změna magnetického toku vázanéhodtse závity cívky. Měřená neelektrická veličina může působit buď na rychlost změnymagnetického toku spojeného s N z závity pevné cívky nebo při stálém toku měnit počet závitůcívky, které jsou v daném časovém okamžiku vázány s magnetickým tokem. Indukčnísenzory lze z tohoto důvodu rozdělit na elektromagnetické a elektrodynamické.U elektromagnetických senzorů působí neelektrická veličina na rychlost změnymagnetického toku spojeného s N z závity pevné cívky. Magnetický tok se nejčastěji měnízměnou impedance magnetického obvodu. Princip snímače je uveden viz. Obrázek 0.10.Obrázek 0.10:Princip elektromagnetického senzoruNapětí ve snímací cívce je dáno změnou magnetického toku, přičemž pro magnetickýtok o platí:UmΦ =( 0.9 )Rmkde U m je magnetomotorické napětí, R m magnetický odpor obvodu, který lze vyjádřit přizanedbání magnetického odporu feromagnetika jako:d ⎛ y ⎞Rm = ⎜1+ ⎟S ⎝ d( 0.10 )µ 0 ⎠kde S je plocha vzduchové mezery, µ 0 je permeabilita vakua, d je vzdálenost pohyblivé částiod pólového nástavce v počáteční poloze a y je velikost výchylky pohyblivé části. Zdyuvedeného je vidět, že výstupní napětí u snímače je úměrné rychlosti pohybu v = . Proyd

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 71N0UmSu = v zµ( 0.11 )2dZákladní typy elektromagnetických senzorů pro přímočarý pohyb jsou ukázány viz.Obrázek 0.11 .Obrázek 0.11:Základní typy elektromagnetických senzorů pro přímočarý pohybDůležitou skupinu tvoří tzv. vibrační elektromagnetické snímače, kde mechanickásoustava (struna, nosník) je elektromagnetickým obvodem rozkmitána do rezonance aměřenou neelektrickou veličinou se mění rezonanční kmitočet mechanického článku. Tentorezonanční kmitočet je měřen pomocí elektromagnetického obvodu, umístěného v blízkostimechanické soustavy. Struna jako vibrační článek s elektromagnetickým snímáním kmitů sepoužívá pro měření tlakových a tahových sil, tlaků, deformací, teploty, krouticího momentu azrychlení.Obrázek 0.12:Elektrodynamický snímač přímočarého pohybu: a) se sběračem, b) bezsběračeElektrodynamické senzory jsou založeny na využití Faradayova indukčního zákona.Princip senzorů je podle [2] naznačen viz. Obrázek 0.12.V magnetickém poli se rychlostí v pohybuje elektricky vodivý pás o šířce l. Mezi body1 a 2 naměříme napětí (je-li b > l):U = B l v( 0.12 )akde B je indukce magnetického pole, l a aktivní délka vodiče a v rychlost pohybu vodiče vesměru kolmém na magnetické siločáry jak ukazuje Obrázek 0.12 a) v řešení se sběračem.

72 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněObrázek 0.12 b) naznačuje řešení senzoru bez sběračů. Pohybem vodivého pásu vmagnetickém poli se v něm indukují vířivé proudy, které vybudí pohybující se magnetickýtok a ten indukuje ve snímací cívce napětí u:dvu = KB( 0.13 )dtkde K je konstanta senzoru. Napětí indukované ve snímací cívce je tedy úměrné zrychlenípřímočarého pohybu. Pro vytvoření napětí u je třeba velké magnetické indukce B a vznikajícívelké vířivé proudy zahřívají vodivý pás. Uvedené snímače se používají pro měření parametrůpřímočarého pohybu, vibrací a úhlové rychlosti (tachodynama a tachogenerátory). Dále seuvedeného principu využívá u indikačních průtokoměrů, přičemž se předpokládá použitívodivé kapaliny.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 738 Polovodičové senzoryCíle kapitoly: Cílem kapitoly je úvod do materiálů a využití některých fenoménův polovodičích pro detekční účely.Motivace: Výčet a pochopení je nezbytné, protože umožňují realizaci principů senzorůuvedených v předchozích, ale i v následujících kapitolách, a jsou stěžejní přiminiaturizaci senzorů.8.1 Teplotní závislost PN přechoduMonokrystalické senzory teploty s PN přechody využívají závislosti vlastností diod atranzistorů na teplotě PN přechodu (změna charakteristik v závislosti na teplotě). S výhodouse využívá měření klidových proudů PN přechodů u tranzistorů (emitor – báze, kolektor –báze). Využívá se jich i pro měření velmi nízkých teplot, např dioda typu GaAs se můževyužít pro měření teplot v rozsahu od 1 K do 450 K.8.2 Piezoodporový jev v polovodičích8.3 Fotonové jevy v polovodičíchFotodiody využívají vnitřní fotoelektrický jev v polovodiči na PN přechodu. Konstruujíse dvěma způsoby:• světelný tok je rovnoběžný s PN přechodem,• světelný tok je kolmý na PN přechod.Pro měření světelného záření lze využít i senzory s více PN přechody např.fototranzistory.8.4 Radiační jevy v polovodičích8.5 Magnetoelektrické jevy v polovodičích9 Optoelektronické senzoryCíle kapitoly: Cílem kapitoly je seznámit studenta s optoelektronickými senzory ase senzory s CCD prvky, jejich principem, vlastnostmi a využitím.

74 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně9.1 Optoelektronické senzoryOptoelektronické senzory v mikroelektronické planární technologii už existují velmi dlouhov podobě optronů, které tvořili galvanické oddělení mezi obvody. Optron obsahoval generátorsvětla (LED) a detektor. Mezi nimi se nacházelo optické prostředí. Pokud se toto prostředímění, mění se tedy podmínky pro přenos signálu, které lze dekovat. Lze tedy velmi jednodušepřejít na optický senzor.Obrázek 9.1: Optron – vysílač a přijímač v jednom pouzdřeJako generátor světla se využívá převážně IR diody nebo polovodičový laser.Fototranzistor většinou na bázi GaAs/AlGaAs s filtrem slouží jako snímač. Planárnítechnologie umožňuje vytvořit difrakční mřížky a sklo s dobrými vlasnostmi, což umožňujevytvořit optické cesty. Kromě běžného principu detekce na základě odrazu či ohybu světla jezřejmé, že planární optické senzory budou pracovat jako integrované složité systémy prospektrální analýzu světla. Příklad planárního analyzátoru spektrální koherence ukazujeObrázek 9.2. Nad detektorem je umístěno zrcadlo, které je ovládáno speciálně navrženýmiobvody, které umožňují vzdálit ho od detektoru až na vzdálenost 5 µm.Obrázek 9.2: Mikrosenzor pro analýzu spektrální koherenceDnes jsou velmi užívané polohové optické senzory, které obsahují matici detektorů asnímají odražený paprsek laseru, dále snímače čárkových kódů a podobně. Optické senzory adetektory planárně realizované se začínají užívat také při detekci chemických látek viz.chemické senzory.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 759.2 Senzory se CCD prvkyDaleko více rozšířené a známé jsou CCD čipy známé z digitálních fotoaparátů a kamer.Jedná se matici fototranzistorů, které vlastně snímají ucelený obraz. Velikost matice tedyudává rozlišení pro snímaný obraz. CCD prvky byly objeveny již v roce 1969 v Bellovýchlaboratořích [25].CCD (Charge-Coupled Device) stejně jako jeho druh CEMOS je na světlo citlivýsenzor. CCD buňka reaguje na dopad fotonů. Fotony vyrazí z buňky určité množstvíelektronů. množství elektronů vyražených slabším nebo mocnějším množstvím fotonů,přicházejících z méně nebo více osvětleného snímaného obrazu. Množství fotonů a množstvíelektronů je tedy podobné, analogické. Vygenerované elektrony vytváří elektrický nábojv buňkách. Základním elementem je kapacitor realizovaný technologií MOS v němž se tentonáboj hromadí. Elektrody kapacitoru jsou transparentní a jsou tvořeny dobře vodivýmpolykrystalickým křemíkem na straně příchodu fotonů a vrstvou Si typu P nebo N na straněodvrácené, viz. Obrázek 9.3 a). Dielektrikum je vrstva SiO 2 , která tvoří potenciálovou jámuzachycující elektrony. To odpovídá asi 40 tisícům elektronů na ploše 9 x 9 µm. Jiný princippřevodu fotonů na náboj ukazuje Obrázek 9.3 b). Spočívá ve vytvoření ochuzené vrstvyv prostoru přechodu PN. Přenos náboje z buňky se provádí registrem. Protože je výhodnějšíprovádět tento transport spíše v objemu polovodiče než po povrchu, nazývají se tyto registryCID (Charge Injection Device).SiO 2ΦPolykrystalickýtransparentní SiΦhν+-Ochuzenávrstvahν+-NhνOchuzenávrstvaPPa)b)Obrázek 9.3:CCD senzor: a) MOS kapacitor, b) PN přechodVelikost elektrického náboje vyvolaného dopadem světla je převedena na napětípřevodníkem A/D vyjádřena číselnou hodnotou ve dvojkové soustavě. V dnešní době seužívají vylepšené prvky zesilující intenzitu světla zvané ICCD (Intensified CCD) neboEMCCD (Electron-Multiplying CCD).Pomocí CCD prvků je možné převádět snímaný obraz na elektrický signál. Obraz jetvořen z bodů, jimiž se v praxi digitálního obrazu říká pixel. Základním zdrojem těchto pixelůjsou citlivé buňky nazývané CCD senzory. Jeden čip o velikosti 1/3 – 2 palce může v dnešnídobě obsahovat 1 – 5 miliónů CCD senzorů. V CCD čipu se náboj v buňkách měří či skenujepo řadách. Tímto procesem je měřena jen intenzita světla, může být vytvořen pouze černobílýobraz.Bude-li ke každé buňce vytvořen filtr v jedné ze tří základních barev RGB, pak každátrojice je ve vzájemném poměru schopna vyjádřit libovolnou barvu spektra počínaje bílou. Zpraktických důvodů se buňky organizují do čtveřic, přičemž zelený filtr je obsažen dvakrát.Uvnitř buněk opět vzniká elektrický náboj, ale jeho velikost už nezávisí jenom na intenzitěsvětla, nýbrž na jeho barevném složení. Touto metodou procesor získá první informace obarevné teplotě paprsků, dopadajících na jednotlivé buňky CCD.

76 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně1 23Obrázek 9.4:Metoda vyhodnocování čtveřic4Obrázek 9.4 ukazuje jak procesor vyhodnocuje informaci z 9 buněk po čtveřicích. Povyhodnocení 1 čtveřice proces pokračuje na druhé, přičemž 2 buňky jsou společné s prvníčtveřicí. Takto postupně vyhodnotí čtyři úplné čtveřice, tj. 9 CCD buněk, tzn. metodouvyhodnocování čtveřic obdržíme hodnoty pro čtyři barevné pixely. Informace z každé buňkyse posuzuje několikrát tedy vzhledem k jejím sousedům. Problematické jsou krajní buňky,proto obrázek zpravidla nemá tolik pixelů, jako je buněk na CCD čipu.Pro usnadnění čtení náboje jsou buňky proloženy pomocnými registry, tzv. prokládaný(interlaced) sken. Náboj přechází z buněk nejdříve do pomocných registrů a teprve z nichpostupují do hlavního registru, a přes zesilovač do A/D převodníku a nakonec do procesoru.Vylepšením je snímkový sken u CCD prvku typu FTD (Frame Transfer Device), kdepřecházejí všechny náboje najednou do přenosového registru náboje (Charge Shift Register).Z tohoto CSR pak náboje odcházejí do zesilovače, A/D převodníku a procesoru. Po přesunudo CSR je CCD prvek už opět přichystaný k další expozici. FTD CCD prvky jsou dražší, majílepší zobrazovací schopnosti, kdežto prokládané CCD prvky jsou levnější. Příklad čipus rozměry 18.4 x 18.4 mm s 2048 x 2048 pixelů ukazuje Obrázek 9.5.Obrázek 9.5: CCD čip KAF 4202Princip nového SuperCCD je založen na poznatku, že lidské oko citlivěji vnímávertikály a horizontály, než diagonály (tedy svislice a "vodorovnice" spíše než úhlopříčky).Proto je struktura CCD oproti tradičnímu řešení posunuta o 45 stupňů. Podle tvrzení Fuji novéuspořádání umožnilo stisknout prvky více k sobě, takže ve výsledném efektu to vypadá, jakoby rozlišení bylo od 1,6 do 2,3 krát větší. SuperCCD má citlivé prvky opatřenémikročočkami. Tím se podařilo zvýšit jejich citlivost, umožňuje rychlejší načítání informace,takže lze uvažovat o videozáznamech o rychlosti 30 snímků za vteřinu ve velikém rozlišení.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 7710 Speciální druhy senzorůCíle kapitoly: Cílem kapitoly je seznámit studenta se senzory, které se svým principem,konstrukcí nebo využitím vymykají předcházejícím kapitolám.10.1 Hallovy senzoryHallův senzor využívá Hallova jevu, kdy příčné magnetické pole s indukcí Bpůsobí na destičku polovodiče o tloušťce d, kterou prochází elektrický proud I p tak, že naprotějších stranách hranolu se generuje Hallovo napětí, viz. Obrázek 10.1.Obrázek 10.1:Pro Hallovo napětí U H platí:Princip Hallova senzoruI BU = pHRHd( 10.1 )přičemž Hallova konstanta R H je rovna:3RH= ( 10.2 )8 n qqkde n q je hustota nosičů náboje a q je elementární náboj.Hallův senzor lze konstrukčně využít dvěma způsoby. Při prvním způsobu je Hallůvsenzor pevně připojen v měřicím systému a dochází ke změně magnetické indukce B.Příkladem tohoto konstrukčního řešení jsou wattmetry, kdy měřený proud zátěže protékápomocnou cívkou, jejíž magnetické pole ovlivňuje Hallův senzor, kterým protéká proudúměrný napětí zátěže. Druhou konstrukční variantou je pohyb Hallova článku v magnetickémpoli permanentního magnetu nebo elektromagnetu. konstrukce se využívají hlavně u snímačůpolohy nebo veličin, které lze na snímání polohy převést např. lineárních nebo úhlovýchvýchylek, vibrací, zrychlení, otáček aj..

78 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně10.1.1 Hallův jev v senzorech polohyPohybujeme-li mechanicky Hallovým článkem v nehomogenním magnetickém poli,Hallovo napětí je závislé na změně polohy tohoto článku. Pro konstantní proud I p =konst. pakz rovnice ( 10.1 ) vyplývá:U H= k1 f1(B)( 10.3 )kdeRHIpk =( 10.4 )1dPro pohyb ve směru osy x platí:B x= k2 f2( x)( 10.5 )PakU (H= k3 f3 x)( 10.6 )U ideálního senzoru polohy by měly být funkce f 1 (B), f 2 (x) a f 3 (x) lineární a gradientmagnetického pole co největší a konstantní.Obrázek 10.2: Princip Hallova senzoru polohy Obrázek 10.3: Charakteristikysenzoru z Obrázek 10.2Obrázek 10.2 uvádí jednoduchou konstrukci senzoru polohy s Hallovým článkem.Vlastní polovodičová destička se pohybuje ve vzduchové mezeře stálého magnetu ve směruosy x. Pólové nástavce jsou z magneticky měkkého materiálu. Polovodičové materiály prosnímače jsou: Ge, Si, InAs, InSb, HgTe, HgSe a další.Obrázek 10.3 předkládá příklad sítě převodních charakteristik snímaného Hallovanapětí na poloze x pro různé hodnoty vzduchových mezer u snímače, který zobrazujeObrázek 10.2. Je zřejmé, že jen úzká oblast charakteristik s lineárním průběhem může býtvyužita pro měření polohy, proto je Hallův snímač je vhodný pro měření malých změn polohyv rozsahu 0 až ±1 mm. V praktických konstrukcích je výhodnější použít permanentní magnetynež elektromagnety. Držák senzoru nesmí být feromagnetický.Vlastnosti snímače se mění se změnou parametrů magnetického obvodu a polovodičovédestičky. Permanentní magnet mění magnetickou indukci v závislosti na teplotě a na čase.Vliv teploty se uplatňuje také změnou měrného odporu a Hallova součinitele. Všechny tytovlivy je nutno při přesných měřeních kompenzovat.Reálnou vnitřní strukturu a zapojení Hallova senzoru MH1SS1, tak jak byl vyráběnTeslou Rožnov, ukazuje Obrázek 10.4. Senzor se užíval převážne u tlačítek klávesnicnahrazující mechanický spínač, kde docházelo časem k únavě mechanického kontaktus následným zničením.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 79Obrázek 10.4:Reálná vnitřní struktura (a) a zapojení (b) Hallova senzoru MH1SS110.1.2 Hallův jev v proudových snímačíchTradiční metody měření proudů pomocí bočníků nebo proudových transformátorů sevyznačují řadou nevýhod:• ztráta výkonu v měřeném obvodu,• ovlivňování měřeného obvodu,• galvanické spojení vyžaduje zvláštní izolační zesilovač,• omezená šířka frekvenčního pásma.Současný trend vývoje moderní výkonové elektroniky vyžaduje trvale bezpečnoufunkci, snadnou manipulaci, kompaktní velikost a výhodný poměr ceny k výkonu.

80 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněFirma Honeywell propracovala dva principy analogového měření proudu: principotevřené smyčky a princip uzavřené smyčky, která kompenzuje magnetické pole. Obaprincipy jsou ideálně vhodné pro galvanicky oddělené měření všech průběhů proudu včetněproudu stejnosměrného. Základní funkční princip detekce proudu je založen na měřenímagnetického pole, které se vytváří kolem vodiče protékaného proudem. Je-li vodič vedenotvorem v magnetickém obvodu proudového snímače, magnetický tok je soustředěn dovzduchové mezery, v niž je umístěn Hallův generátor. Výstupní signál U h Hallova generátorutedy závisí na proudu vodičem.Princip otevřené smyčkyObrázek 10.5: Princip otevřené smyčkyPro toto proudové čidlo je důležité, aby Hallův generátor poskytoval lineární závislostmezi magnetickým tokem a Hallovým napětím. Lineární Hallův generátor LOHET (LinearOutput Hall Effect Transducer / převodník s Hallovou sondou a lineárním výstupem) firmyHoneywell zcela splňuje tento požadavek. LOHET sestává z integrovaného Hallovagenerátoru a tří odporů na keramickém podkladu. Citlivost a teplotní kompenzace se seřizujeúpravou dvou z těchto odporů laserem. V čidle je integrován i regulátor napětí a teplotněkompenzovaný měřicí zesilovač. Výstupní napětí U a proudového čidla je úměrné primárnímuproudu I p .Obrázek 10.6: Princip uzavřené smyčky

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 81Princip uzavřené smyčkyMagnetický tok vytvářený primárním proudem je zcela vyrovnáván opačnýmmagnetickým tokem vinutí kolem magnetického obvodu. Každá odchylka od nulovéhovyvážení vede k Hallovu napětí Hallova generátoru. Elektronický obvod ihned dodásekundární proud I s potřebný ke kompenzaci magnetického pole. Tento proud dělený počtemzávitů kolem magnetického obvodu představuje skutečný obraz primárního proudu.Při kmitočtech nad 3 a 5 kHz působení elektroniky postupně slábne. Na vyššíchkmitočtech nebo při rychlých změnách proudu se proud přenáší na principu transformátorujako v konvenčním proudovém transformátoru. Superpozice těchto dvou účinků činí z tohotočidla zařízení měřicí proud velmi přesně a velmi dynamicky.Sekundár generuje proud nezávislý na zatížení. Vložení vnějšího výkonového odporuumožňuje získat výstupní napětí širokého rozsahu.Firma Honeywell vyrábí tyto sondy převážně na principu uzavřené smyčky v řaděoznačenou CSN a CSL.

82 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně11 Chemické senzoryCíle kapitoly: Cílem kapitoly je seznámit studenta s rozsáhlou oblastí chemickýchsenzorů, jejich rozdělením a principy detekce, vlastnostmi a využitím.Chemické senzory řadíme mezi speciální druhy, ale pro svou rozsáhlost jim věnujemezvláštní kapitolu.a) analyzátory využívající teplené vodivosti plynů: tepelná vodivost různých plynů jerozdílná. Tepelná vodivost směsi plynů je pro binární směsi dána směšovacím pravidlem.Měření se provádí srovnávací metodou současným měřením známého a analyzovanéhoplynu. Z toho je zřejmé, že analyzátor má dvě měrné komůrky.b) analyzátory termochemické: využívá se exotermické reakce sledovaného plynu, kteráovlivňuje teplotu odporového článku. Možné reakce jsou plyn-plyn, plyn-kapalina a takékapalina-kapalina, např. platinový drátek vyhřátý na vyšší teplotu působí jako katalyzátorreakce plyn-plyn (vodík-vzduch, methan-vzduch).c) analyzátory využívající změny elektrické vodivosti polykrystalických polovodičůvlivem plynu: využívá se změny elektrické vodivosti polovodiče při reakci s chemickyredukovaným plynem. Změny vodivosti jsou vratné, děj probíhá tím rychleji čím vyšší jeteplota odporového článku. Užívané materiály: slinuté oxidy, zinku, železa, cínu. Článekse vyrábí ve tvaru perličky. Používá se např. k indikaci výfukových plynů spalovacíchmotorů.d) analyzátory termomagnetické: využívá se silových účinků paramagnetických plynů vmagnetickém poli a změny magnetických vlastností plynu nad teplotou Courierova bodu(plyn se stává diamagnetickým). Tyto změny ovlivňují teplotu měřícího odporovéhočlánku.Přítomnost chemických prvků charakterizuje příznivost daného životního prostředí jakpro člověka samotného, tak pro nejrůznější procesy na naší planetě (od ekologických až poprůmyslové). Zvlášť důležité je sledovat prvky, které životnímu prostředí škodí a prvky,jejichž přítomnost je naopak žádoucí. Chemické senzory se využívají pro měření koncentracevýskytu látek doprovázejících některé výrobní, provozní, skladovací, měřící a další procesy.Oblast chemických senzorů je velice rozsáhlá [6], [19] a můžeme ji rozdělit podlezpůsobu převodu měřené veličiny jak ukazuje Obrázek 11.1.Chemické senzoryelektrochemickéteplotnífluorescenčnígravimetrickéoptické

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 83Obrázek 11.1:Rozdělení chemických senzorů11.1 Elektrochemické senzoryElektrochemický převodník je nejčastěji užívaný princip. Základem každéhoelektrochemického senzoru je roztok v pevné nebo kapalné fázi sloužící jako převodníkneelektrické veličiny na elektrickou. Ten je připojený na elektrody, pomocí nichž seelektrická veličina vyhodnocuje metodou měření jednoho nebo více elektrických parametrů.Principiální zobrazení takovéhoto senzoru ukazuje Obrázek 11.2. Každý senzor obsahuje 2až 4 elektrody z platiny nebo zlata vytvořené na substrátu. Tyto drahé kovy tvořípolarizovatelné elektrody nerozpustné v roztoku, oxidace/redukce probíhá pouze za výměnyelektronů. Je-li substrát z vodivého materiálu je nutné nejprve na jeho povrchu vytvořitnevodivou vrstvu (např. na Si substrátu je po termické oxidaci vytvořena vrstva SiO 2 ).Elektrody jsou opatřeny vývody, které slouží k propojení s elektronickým detektorem. Můžoubýt zhotoveny z různých kovů s přihlédnutí k co nejmenším termoelektrickým napětím, kterémohou na spojení kovů vzniknout. Z toho důvodu je nejvhodnější zlato, které lze také snadnobondovat Au drátkem čímž vzniká dlouhodobě nespolehlivější spojení bez termických šumů.Bude-li toto čidlo pracovat v kapalných roztocích je nutné vytvořit krycí vrstvu, kteráponechá pouze elektrody ve styku s roztokem. Nedokážou-li elektrody přímo měřit některouelektrickou veličinu, jež závisí na měřené je na elektrody deponován převodník, což může býtiontový měnič – membrána např. z enzymů nebo polovodivé oxidy kovů citlivé na plynyapod.kapkaroztokupřevodníkz pevnéfázekrycívrstvapřívodyPt nebo AuelektrodyizolačnívrstvasubstrátObrázek 11.2:Principiální struktura chemického senzoru11.1.1 Impedanční senzoryVyužívá-li se k měření střídavého signálu lze charakterizovat čidlo jako impedanční astanovit až 4 parametry: reálnou a imaginární část, modul a fázi. Pomocí těchto parametrů lzezískat charakteristiky, které umožní vyhodnotit jinými metodami nedetekovatelné změny naměřenou veličinu.

84 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněKonduktometrické (odporové) chemosenzoryTyto tyty senzorů se též nazývají vodivostní a cílem je měření měrné vodivosti mezielektrodami. Je zřejmé, že jde pouze o měření reálné části impedanční charakteristiky a lzetedy použít, pokud to fyzikální princip převodu dovoluje, stejnosměrný signál k charakterizaciodezvy.Určení měrné vodivosti vychází z rozměru chemického článku, tj. plochyS a vzdálenosti elektrod d. Potom je vodivost vypočítána ze vztahudκ = G = G ⋅ K CELL, ( 11.1 )Skde G je změřená vodivost mezi elektrodami. Poměr mezi vzdáleností a plochou elektrod senazývá článková konstanta K CELL s běžně udávanou jednotkou [1/cm]. Je zřejmé že vodivostmusí být funkcí měřené veličiny. U roztoků se takto přímo měří měrná vodivost v [S/cm]. Umnoha roztoků lze následně vypočítat koncentraci dané látky v roztoku, protože je známvztahκ κC = = . ( 11.2 )λ λ λ+ +−λ je iontová vodivost, kterou lze získat z tabulek pro kladné a záporné ionty roztoku akorigovat k změřené měrné vodivosti. Např. pro roztok KCl jsou to ionty K + a Cl - , kterévznikají na elektrodě oxidací nebo redukcí podle vztahu⎯⎯→Ox + e− Re . ( 11.3 )←⎯⎯Tento vztah platí pro všechny chemické senzory a je základním vyjádřením převoduchemického děje na elektrický. Je nutné tedy vytvořit převodník, který bude vytvářet nebopotlačovat tyto složky na základě působení měřené veličiny. U měření měrné vodivostikapalných roztoků je tímto převodníkem přímo tato reakce jež probíhá na elektrodách.Standardní elektrody běžně užívané ukazuje Obrázek 11.3.Převedení elektrod do planární formy může vypadat tak, jak ukazuje Obrázek 11.4.Elektrody můžou mýt různý tvar, ale běžně se konstruují hřebínkové, protože při zachovánímalé vzdálenosti elektrod a plochy čipu je plocha elektrod velká a tím i citlivost čidla.Miniaturizace na druhou stranu přináší problémy, které u standardních elektrod nebyly.Jedním takovým problémem je rozložení hustoty proudů, která není homogenní jako např. udeskových elektrod, ale probíhá sféricky či hemisféricky, přičemž se vzdáleností od substrátuse snižuje. Pak mluvíme o poměrných proudech, kde 90% proudu probíhá už ve velkýchvzdálenostech od elektrody, což závisí na měrné vodivosti roztoku, a poměru vzdálenostielektrod a šířky hřebínku. Je zřejmé, že průměrná vzdálenost elektrod není v planárnístruktuře konstantní, a proto je nutný korekční faktor článkové konstanty vyjádřený vztahem( 11.4 ), který bude záviset ne měrné vodivosti:K κα =real real= ( 11.4 )KCELLκmeas

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 85vodivostníA B CnádobkaanalyzovanýroztokvodivostníelektrodyObrázek 11.3: Standardní elektrody pro měření vodivosti kapalných roztoků: A –průtokové, B – skleněné s Pt prstýnky, C - Pt deskovéObrázek 11.4:Průběh poměrných proudů mezi elektrodama v planární struktuřeObrázek 11.5: Tlustovrstvý senzor na bázi SnO 2 (Research Group Göpel) vyrobený SOL –GEL technologií.V mikroelektronické technologii je poměrně snadné vytvořit planární elektrodyz platiny nebo zlata. Základní ukázka designu chemického senzoru představuje Obrázek11.5. Pro detekci plynů je navíc opatřen převodníkem plynů (snímací vrstva) a topnýmelementem. V tlustovrstvé technologii je nevýhodou čistota kovové vrstvy, protože pasta musíobsahovat také vazební složky k zajištění adheze vrstvy. Vypálené vrstvy jsou také velmidrsné i porézní, což na jednu stranu zvyšuje plochu elektrod, ale na druhou geometrickáplocha neodpovídá skutečné a musí být určena experimentálně.

86 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brněb) Top10 mm10 mmWO 3 activelayerAu electrodesc) BottomTCR meanderPt heatingresistancea)Bonding padsObrázek 11.6: TLV senzory: a) 10 různých hřebínkových Pt tlustovrstvých čidelprovodivostní měření elektrolytů, b) senzor plynů – horní strana s elektrodami a převodníkem, c)spodní strana s ohřívacím elementem a TCR čidlemPraktický příklad takovýchto elektrod s různou celkovou plochou čidla ukazujeObrázek 11.6 a). Příklad senzoru plynů využívající měření vodivosti představuje. Obrázek11.6 b) a c), který obsahuje potisk z obou stran. Z jedné strany elektrody s převodníkemtvořeným oxidy polovodivých kovů (např. SnO 2 , TiO 2 , WO 3 apod.), tj. aktivní vrstva citlivána plyny. Citlivost změny vodivosti těchto oxidů je nejvyšší většinou při vyšších teplotách,což bývá od 150 do 600°C. Z toho důvodu tento typ senzoru obsahuje topný element a snímačteploty, v tomto případě realizovaný z druhé strany substrátu. Pro svoji činnost využívají dvoujevů :• Když je senzor vystaven příslušnému plynu (např. CO), absorbovaný kyslík na povrchu jespotřebován a sníží se elektrický odpor, viz Obrázek 11.7.• Další změny elektrického odporu jsou způsobeny přenosem elektronů meziadsorbovanými molekulami a polovodičovým povrchem (např. pro detekci NO 2 ).Obrázek 11.7: Vlevo princip funkce chemického senzoru na bázi oxidů kovů, vpravotlustovrstvý senzor na bázi polovodičových oxidů od firmy Scimarec, typ AF – 20 určený prodetekci úniku plynů.Mezi nejpoužívanější chemické senzory patří senzory na bázi SnO 2 . Přítomnost určitéhoplynu a jeho koncentrace může být určena hodnotou elektrického odporu, resp. poměremzměny odporu k referenční hodnotě. Závislosti ukazuje Obrázek 11.8.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 87Pro minimalizaci teplotního napětí v substrátu a zamezení praskání substrátu zavysokých teplot bývají odstraněny jeho hrany. Lepší rozložení tepla a tím i zamezení praskáníhlavně při rychlém vzrůstu teploty lze i vhodným návrhem topného elementu. Systém můžebýt při běžných okolních teplotách použit také pro určení relativní vlhkosti. Krycí vrstva býváz materiálů jako např. PVC, nebo z umělé kůže, jako je "Pentaid" [9], případně využitíporézního materiálu bez polovodivých vlastností, např. Al 2 O 3 .Obrázek 11.8: Vlevo ukázka změny citlivosti SnO2 senzoru pro různé teploty při působeníuhlovodíku, vpravo časy odezvy pro 50% změnu rezistivity senzoru při působení různýchplynů.Postup výroby senzoru s vrstvou z polovodivých oxidů: Nanokrystalický SnO 2 prášekse vyrábí z SnCl 4 modifikovaným sol-gel procesem [15]. Tato metoda je založena na tom, žese hydratovaný SnO 2 chemicky srazí přidáním amoniaku do vodného roztoku SnCl 4 . Podůkladném proprání je sraženina za zvýšené teploty kalcinována. Povrchové dopování (např.Pd, Pt, ...) výsledného SnO 2 je provedeno impregnací použitím roztoku odpovídajícíchkovových chloridů (např. PdCl 2 , H 2 [PtCl 6 ], atd.). Další tepelné zpracování redukuje kovovéchloridy na kovové složky Pd a Pt a odstraní chlór. Potom se prášek mísí s rozpouštědlem,dokud není obdržena homogenní, tisknutelná pasta. Pasta je poté pomocí sítotisku nanesenana rovinný korundový substrát opatřený elektrodami. Elektrody lze také natisknout až potisku aktivní vrstvy. Platinový vyhřívací rezistor na spodní straně substrátu zajistí senzorusprávně seřízenou operační teplotu. Závěrečné žíhání odstraní rozpouštědlo a spojí snímacícitlivou hladinu se substrátem.Výsledný senzor se kalibruje pomocí plynové směšovací stanice [15]. Příkladkalibračních křivek uvádí . Typické operační teploty senzoru se pohybují mezi 200°C a400°C. Vlhkost může být měněna mezi 0 a 100% RH. Pro stanovení elektrickýchcharakteristik bývají senzory umístěny do mosazných komor. Nastavení požadované směsiplynu se provádí pomocí plynového průtokového systému s počítačem řízeným průtokem.Vlhkost se nastavuje syntetickým vzduchem bublajícím přes sloupec vody a míšením sesuchým vzduchem v plynovém směšovači. Mezi dvěma testovanými plyny se senzor hodinuofukuje syntetickým vzduchem, aby bylo senzoru umožněno se zotavit. Přesné nastavenívlastností senzoru závisí na výběru dopantů, na kontaktech, struktuře nanočástic, tloušťcepřekrytí, teplotě a frekvenci monitorování stejnosměrného nebo střídavého odporu [15].

88 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněObrázek 11.9: Obrázek 9 . 2.5: Kalibrační křivky odezvy SnO2 senzoru vyrobeného solgeltechnologií na CO (pro koncentrace 500ppb až 10 000ppm, s CH 4 jako interferujícímplynem) a odezvy na NO2.Tlustovrstvé senzory na bázi SnO 2 mají dostatečnou citlivost a rychlou odezvu,malou teplotní závislost, dlouhou životnost, vynikající odolnost proti vibracím a nárazům,jednoduchý řídící obvod a dlouhodobou teplotní stabilitu. Jmenovitá spotřeba senzoru bývámenší než 15mW, jmenovité napětí kolem 5V [26]. Používají se v aplikacích jako detekceúniku plynů, CO alarm, čističky vzduchu, automobilové čističky vzduchu a pro základnívědecké výzkumy.Impedimetrické senzoryTento druh senzorů vyhodnocuje více než jeden parametr výstupní charakteristiky. Uchemických senzorů je velmi dobře známa půlkruhová charakteristika impedancev komplexní rovině která je společná všem chemickým senzorů. Obrázek 11.10 představujecharakteristiku jedné elektrody v kapalném roztoku a obsahuje navíc lineární část se sklonem45° prezentovanou difúzí iontů k elektrodě. Elektrický model této impedance ukazuje dobřeObrázek 11.11 a obsahuje kapacitu dvojvrstvy C DL , která vzniká přímo u povrchu elektrody,odporem přenosu náboje iont-elektroda R CT a reálný odpor roztoku R TOTAL mezi elektrodami.Toto jsou lineární parametry. Warburgova impedance Z W představuje nelineární chování azávisí na elektrochemické ději, ke kterému na převodníku dochází. Od ní se převážně volímetoda měření a vyhodnocení měřené veličiny.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 89Obrázek 11.10: Impedanční charakteristika jedné elektrody v roztokuReferenčníElektrodaKovlR ROZTOKR CTC DLWObrázek 11.11: Model impedančního rozhraní elektrodyObrázek 11.12: Impedační charakteristika senzoru plynů na bázi organokovuProtože použitý materiál určuje impedanční charakteristiku lze nalézt i velmi zajimavézávislosti impedance, hlavně např. u organických látek. Obrázek 11.12 je odezvaorganokovu, zde acetylacetonát cínu. Je zřejmé, že metoda bude určovat rozdíl fází meziplynem a vzduchem při konstatním kmitočtu. Podobně i polymerní vrstvy působením měřenéveličiny (chemická látka) mění permitivitu a nebo rezistivitu polymerní hladiny. Příkladprezentuje Obrázek 11.13. Senzor využívá interdigitální strukturu elektrod. Příklademmateriálu pro kapacitní polymerní chemický senzor je polyetheruretan, který se používá např.pro detekci ethanolu [15].

90 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněObrázek 11.13: Kapacitní polymerní chemický senzor s interdigitální strukturou a spolyetherurethanovou snímací vrstvou. Vlevo odezva tohoto senzoru na přítomnost ethanolu(Research Group Göpel).V posledních letech došlo k vývoji a rozšíření polymerních hydroskopických materiálůpro senzory vlhkosti. Tato zařízení se vyznačují velkou přesností, a spolehlivostí. To vše je vespojení s minimálními náklady a prakticky nulovou údržbou předurčuje k širokému použití vtechnické praxi. Jako typický příklad kombinovaného polymerního senzoru vlhkostiimpedančního typu lze uvést senzor pro měření vlhkosti z kopolymeru z ionizovanéhomonomerního NaSS (sodík styren sulfonát) a neionizovaného monomeru HEMA(hydroxyetyl metakrylát) na substrát a poté sušení. Celý systém je realizován na jednomsubstrátu, např. s kmitočtově modulovaným výstupním signálem, viz. Obrázek 11.14 . Proteploty kolem 25°C senzor vykazuje poměrně lineární závislost na relativní vlhkosti. Teplotnízávislost je 0,5 až 0,6 %RH /°C v teplotním rozsahu mezi 10 a 50°C. Pro 90% hodnotyrelativní vlhkosti je čas odezvy 3 až 4 minuty.Obrázek 11.14: Tlustovrstvý senzor pro měření vlhkosti s integrovanými obvody prozpracování signálu (astabilní klopný obvod převádí změnu odporu vrstvy na změnufrekvence)11.1.2 Potenciometrické senzory, pH senzoryPrincip je založen na zjišťování potenciálu fázového rozhraní. Nejdůležitější propotenciometrii jsou potenciály mezi kovem a roztokem. Měříme vždy proti porovnávacístandardní elektrodě.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 91Amperometrické senzoryVedle pevných elektrolytů na bázi Zr se používají i pevné polymerní elektrolyty,nanášené pomocí polymerní tlustovrstvé technologie [6]. Používají se zejména pro měřeníanorganických složek plynů a jsou schopné pracovat za pokojových teplot. Např. Nafion sepoužívá jako pevný polymerní elektrolyt v senzorech pro detekci NO [6]. Často tyto senzorypracují v amperometrickém režimu. Z amperometrických měření jsou získány lineárníproudové iontově – koncentrační charakteristiky, viz. Obrázek 11.15. Při nastaveníoperačního módu senzoru do vymezené proudové oblasti a udržováním konstantního napětí jemožno měřit proud úměrný koncentraci [6], [9].Obrázek 11.15: Typické charakteristiky amperometrického senzoru s pevným polymernímelektrolytem, vlevo změna Volt-ampérové charakteristiky s koncentrací, vpravo závislostproud-koncentrace.Záruka konstantního potenciálového rozdílu mezi pracovní a pomocnou elektrodouzávisí na proudu, který polarizuje elektrody. Často je nutné použití potenciostatu a referenčníelektrody [6], Obrázek 11.16.Obrázek 11.16: Struktura a zapojení amperometrického senzoru s pevným polymernímelektrolytem.

92 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně11.1.3 Polarografické senzoryElektrochemická metoda analýzy roztoků založená zkoumání polarizačních napětíspeciální elektrody. Objevena J. Heyrovským – Novelova cena. Při vlastním měření se sledujeV-A křivka, tzv. polarografická křivka. Elektroda – kapková Hg, proudící Hg, Pt, rotační Ptapod.11.1.4 Iontově selektivní senzoryPro ochranu životního prostředí a kontrolu znečištění vody je důležité monitorovánítoxických iontových sloučenin. Koncentraci příslušných iontů v roztoku můžeme stanovitměřením potenciálového rozdílu mezi dvěma elektrodami ponořenými do roztoku [6], [9].Jedna z nich je díky specifickému elektroaktivnímu materiálu citlivá na příslušné ionty. Druháelektroda, např. typu Ag/AgCl [9], se nazývá referenční. V potenciometrických senzorech jepotenciálový rozdíl mezi referenční elektrodou a pracovní elektrodou měřený bez polarizaceelektrochemického článku, což znamená, že je připuštěn velmi malý proud. Iontovákoncentrace souvisí s potenciálovým rozdílem podle Nernstova vztahu [9]:2.303RT∆ V = log Ci( 11.5 )ZiFkde C i je iontová koncentrace, R je plynová konstanta, T je absolutní teplota v Kelvinech, Z i jemocenství zkoumaných iontů a F je Faradayova konstanta. Často se tato metoda využívá spoužitím skleněných elektrod pro měření pH (vodíkové koncentrace) [9].Iontově selektivní elektrody mohou být snadno vyrobeny použitím uhlíkové polymernípasty pomocí PTF technologie. V závislosti na elektroaktivním snímacím materiálu mohoureagovat na celý rozsah typů iontů. Pro životní prostředí je důležitá např. detekce těžkýchkovů (Pb, Cd, ...). Snímací materiál může být aplikován v rozemleté formě smíšené spolymerní pastou, nebo vakuovým nanášením na povrch nanesené pasty [9].Referenční elektrody mohou být rovněž vyrobeny z uhlíkových polymerních past.Skutečnost, že obě elektrody mohou být tlustovrstvé znamená, že mohou být miniaturizoványa integrovány s příslušnou elektronikou. Pro vytvoření potenciometrické membrány aimobilizaci enzymů se používají membrány na bázi polyvinyl acetátu [9]. Tyto materiályvykazují vynikající adhezi na tlustovrstvé elektrody vytvořené použitím Au nebo AgPd past.Iontově selektivní polymerní membrány se skládají nejméně ze dvou složek: polymeru, kterýzajistí zejména mechanickou podporu a ionoforu, nebo jiné elektroaktivní složky, kterázavede požadované elektrochemické vlastnosti [9], viz. Obrázek 11.17. Membrány buďobsahují vnitřní referenční elektrolyt, nebo jsou pevně kontaktovány přímo na povrchelektrody bez vnitřního roztoku elektrolytu. Tímto způsobem se vytváří iontově selektivnísenzory pro Li, Na, K a amoniak, biosenzory pro glukózu, sacharózu a další. Problémpotenciometrických elektrod spočívá v jejich vysoké výstupní impedanci. Přizpůsobeníimpedance elektrod a připojení nízkoimpedančních měřících obvodů umožní jednoduchétlustovrstvové impedanční měniče [6], [9].

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 93Obrázek 11.17: Konstrukce tlustovrstvé referenční elektrody, provedení referenční a iontověselektivní elektrody a příklad měření koncentrace některých těžkých kovů v roztokuprováděné tímto senzorem (čárkovaně je vyznačen teoretický průběh).ISFET senzoryIontově citlivý FET, využívá standardní MOS struktury, kde gate je nahrazen iontověcitlivou vrstvou, která ovlivňuje pole tranzistoru a řídí tak proud drain-source, viz. Obrázek11.18. Technologicky je celá konstrukce podobná MOS struktuře (Obrázek 11.19), kdeoblast vstupu pro ovládání polem (gate) neobsahuje kovovou elektrodu, ale iontovoumembránu, zde z PVA (polyvinylchlorid). Všimněte si, že izolační vrstva SiO 2 je mimohradlo značně zesílena a celá ještě opatřena tenkou vrstvou nitridu křemíku, který je mnohemodolnější vůči zásaditým roztokům než SiO 2 .Obrázek 11.18: Principiální schéma ISFETu

94 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněObrázek 11.19: Řez strukturou ISFETuSiO2/Si3N4/PVA tvoří citlivou vrstvu na H+ ionty. Tento senzor se například užívá proměření pH moči. Aby mohlo vzniknout pole, je použit Ti/Au pseudo-elektroda jakoreferenční. Citlivost senzoru je 40 mV/pH. Pro měření odezvy ISFETu lze použít jednoduchýpřístrojový zesilovač. Toto zapojení a průběh výstupního napětí v závislosti na rozdílu (V + –V - ) a pH měřeného roztoku ukazuje Obrázek 11.20.Obrázek 11.20: Jednoduchý zesilovač pro ISFET a průběh výstupního napětíDíky velmi rychlému rozvoji montážních technologií lze v poměrně krátké doběpřizpůsobit i technologie pro výrobu senzorů. Reprezentuje hybridní formu chemickéhosenzoru, kde polovodičový ISFET je jako flip-chip připájen na keramický substrát, viz.Obrázek 11.21. Tento senzor byl nazván HFC-FET (hybride flip-chip field effect transistor).Pracuje v podstatě na principu oddělené báze (gate), který byl nazván SGFET (suspendedFET).

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 95Obrázek 11.21: Vlevo hybridní ISFET, vpravo princip SGFETu11.2 Gravimetrické chemické senzorySenzory pracují na principu ovlivňování tuhosti pevného roztoku (aktivní vrstvy)měřenou veličinou. Senzor obsahuje dva rezonátory mezi nimiž je aktivní vrstva tvořenáchemicko-gravimetrickým převodníkem. Rezonátory je většinou tvořený dvěmadvojelektrodovými hřebínkovými systémy viz. Obrázek 11.22. Tímto prostředím se potomšíří tzv. povrchová akustická vlna, jejíž útlum lze snadno změřit, popř. najít nový rezonančníkmitočet. Jeden rezonátor tedy generuje akustické vlny, druhý slouží jako snímací. Tento typsenzoru se označuje SAW (surface acustic wave).Obrázek 11.22: Gravimetrický senzor s povrchovou akustickou vlnou11.3 Teplotní chemické senzoryTento senzor pracuje na principu měření změny teploty, která se uvolňuje při chemickéreakci měřené látky s aktivním materiálem. Mezi nejpoužívanější teplotní chemické senzorypatří senzory na bázi SnO 2 . Tento aktivní materiál je nanesen na tenký platinový drátek, kterýtvoří topný element pro vyhřívání na teplotu, při které senzor vykazuje maximální citlivost, azároveň čidlo teploty viz. Obrázek 11.23 [28] . Přítomnost určitého plynu a jeho koncentraceje určena poměrem změny teploty. Tento typ senzoru se nazývá semistor (semicoductor basedpellistor) [9].

96 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněObrázek 11.23: Semistor na bázi SnO 2 pro detekci metanu11.4 Optické chemické senzoryZákladní myšlenka optického biosenzoru je měření změn fyzikálních veličinzpůsobených (bio)chemickou interakcí monitorované látky s měřícím systémem. Z hlediskaprincipu a funkce podle lze říci, že:• na rozhraní kovu a dielektrika existuje ztrátová elektromagnetická vlna povrchovýplazmon (Surface Plasmon Wave). Pokud se vybudí (Surface Plasmon Resonance, SPR),dojde k útlumu optického signálu• silná závislost na parametrech systému (vlnová délka, úhel dopadu, index lomuzkoumaného prostředí, tloušťky adsorbovaných vrstev atd.) => vysoká citlivost a rozlišení• chemooptický převodník převádí změny chemických a biochemických veličin (např.koncentrace molekul monitorované látky, jejich aktivitu ...) na fyzikálně měřitelné(tloušťka adsorbovaných vrstev, jejich index lomu), které jsou detekovány a vyhodnocenyObrázek 11.24: Optický chemosenzor s povrchovým plazmonemZdroj optického signálu je polovodičový laser s fixním nebo proměnným úhlem dopadua detektor detekuje pouze výkon nebo spektrum. Optický hranol lze nahradit modernímoptickým prostředím jímž je optické vlákno. Nosič SPW je tenká kovová vrstva (zlato nebostříbro o tloušťce cca 50 nm), případně další dielektrické vrstvy.Jako chemosenzor bude systém pracovat bude-li na místě zkoumané látky polymerměnící své vlastnosti v přítomnosti aldehydů, alkoholů a jiných uhlovodíků, které tímtosystém rozpozná. V případě biosenzorů lze využit specifické interakce, např. antigenprotilátka,enzym-substrát, léčiva a proteiny, hormony a jejich buněčné receptory.

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 9711.5 Fluorescenční chemické senzory11.6 BiosenzoryJedná se zvláštní druh senzorů, které můžou využívat převodníků na elektrickouveličinu a metod měření popsaných v předchozích kapitolách, ale liší se hlavně tím, že pracujís biologicky aktivním materiálem a tím i konstrukcí, viz Obrázek 11.25. Osahují převážněmembránu jež převádí měřenou veličinu na neelektrickou, která je poté převodníkempřevedena na veličinu elektrickou např. některým typem z předcházející nabídky. Membránusi lze představit jako síť molekul, které dokáží přijmout pouze určité molekuly a navázat je nasebe či s nimi zreagovat. Mluvíme tedy o antitěle, do kterého zapadne pouze určité tělodetekované látky.Obrázek 11.25: Principiální činnost biosenzoru

98 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně12 Mikroelektromechanické systémyCíle kapitoly: Seznámit studenty s mikroelektromechanickými systémy12.1 Obecně o mikroelektromechanických systémechMikro-Elektro-Mechanické Systémy (MEMS) je integrace mechanických elementůsenzorů či aktuátorů, jež umožňují řešení problému v podobě mikrosystému, tj. i selektronikou na křemíkový substrát pomocí mikroelektronických technologií. Zatímcoelektronické součástky jsou vytvářené sekvencemi procesů pro výrobu integrovaných obvodů(např. CMOS, Bipolární nebo BICMOS procesy), mikro-mechanické součásti jsou vytvořenépoužitím mikro-obráběcích procesů, tj. leptacích technik vyšší úrovně, které selektivněodleptávají část křemíkového plátku či kovu nebo přidávají nové strukturální vrstvy provytvoření mechanických nebo elektromechanických zařízení, Obrázek 12.1.Obrázek 12.1: Mikroelektromechanický systémMEMS slibuje způsobit převrat téměř ve všech kategoriích produktů pomocí spojenímikroelektroniky založené na křemíku s mikro-obráběcími technologie. To umožňujerealizaci kompletních systémů na čipu (systems-on-a-chip). Technologie MEMS tak dovolujevývoj SMART produktů, rozšíření výpočtové schopnosti mikroelektroniky o vnímáním akontrolními schopnostmi mikro-senzorů a mikro-aktuátorů a rozšiřování prostoru možnýchnávrhů a aplikací.Mikroelektronické integrované obvody jsou řídicí částí systému (mohou býtpovažovány za "mozky" systému) a MEMS zvětší schopnost rozhodování o snímací a akčníčást systému ("oči" a "ruce" systému). To dovolí MEMS ovládat prostředí a reagovat na jehopodměty. Senzory získávají informace z prostředí na základě měření mechanických,tepelných, biologických, chemických, optických a magnetických jevů. Elektronika pakzpracuje informaci obdrženou ze senzorů a na základě rozhodnutí řídí akční členy např.odpovídajícím posunem, umístěním, regulací, pumpováním a filtrováním, a tím ovládáprostředí pro nějaký požadovaný výsledek nebo účel. Mezi MEMS řadíme např. senzory

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 99pohybu, jako senzor rychlosti, zrychlení, senzory pozice, gyroskop apod. Jako převodníky sepotom u těchto senzorů využívá kapacitní metody, tedy kapacitní senzory MEMSPříklady akčních a snímacích členů podle [30], [31] ukazuje Obrázek 12.2.Obrázek 12.2: Příklady akčních a snímacích členů MEMS podle [30], [31]

100 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněLeptání topologie lze i reaktivní iontovým leptáním (plasmou). Příklad vytvořenésoučásti z SiO 2 ukazuje Obrázek 12.3Obrázek 12.3:8 µm hluboká SiO 2 turbína12.2 Proces nanomechanizováníNásledující obrázky (Obrázek 12.4 až Obrázek 12.7) ukazují ve čtyřech krocíchpostup při výrobě MEMS s elektronikou realizovanou v CMOS [32]. Nejprve je vytvořenajáma pro realizaci mechanického systému a postupně jsou nanášeny jednotlivé vrstvymechanického systému ve formě sendvičové struktury. Poté je tato struktura překrytaochranným oxidem a zarovnána s povrchem křemíku. Následuje realizace CMOS obvodůstandardním procesem. Nakonec je odleptán oxid podle masky v místech, kde je to potřeba amechanická část je tak obnažena k plnění své funkce.Obrázek 12.4:Proces mikromechanizování povrchu za použití polykřemíkuObrázek 12.5:Jáma s mechanickým systémem vyplněná oxidem a zarovnánaObrázek 12.6:Standardní CMOS proces pro vytvoření elektronické části

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 101Obrázek 12.7:Otevření mechanizované struktury odleptáním oxidu

102 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v BrněSeznam použité literatury[1] Král V. a kol.: Malý encyklopedický slovník, ACADEMIA, Praha, 1972[2] Zehnula K.: Snímače neelektrických veličin, SNTL Praha, 1986[3] Internetové stránky DuPont de Nomours & Co., http://www.dupont.com[4] Szendiuch, I.: Mikroelektronické montážní technologie, VUTIM, Brno, 1997[5] Internetové stránky Electro-Science Laboratories, Inc., http://www.ElectroScience.com[6] Harsany G.: Sensor Technologies and Applications, TU of Budapest, Dept. ofElectronics Technology, 1998[7] Lavenuta, G. (Cornerstone Sensors, Inc.): Negative Temperature CoefficientThermistors, Sensors Magazine, December 1998[8] G.Williams,G.S.V. Coles, The semistor: a new concept in selective methane detection.Sens. and Actuat. B, 57 (1999), 108-114.[9] Haskard M., Pitt K.: Thick Film Technology and Applications, ElectrochemicalPublications, Ltd., Isle of Man, 1997[10] Brzobohatý, J., Musil, V., Szendiuch, I.: Mikroelektronika, VUT, Brno, 1989[11] Felix, J.: Senzorové systémy, TU, Košice, 1992[12] Mohammed, A.A.: LTCC for High-power RF Applications, Advanced Packaging,October 1999[13] Internetové stránky National Semiconductor Co., http://www.nsc.com[14] Internetové stránky Heraeus, Inc., http://www.heraeus.com[15] Internetové stránky Research Group Göpel, http://www.ion.ipc.unituebingen.de/goepel/sensor[16] Internetové stránky Vaisala, http://www.vaisala.com[17] Internetové stránky Servomex, http://www.servomex.com[18] Internetové stránky Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and SinteredMaterials, http://www.fraunhofer.de[19] Internetové stránky International Sensor Technology, http://www.intlsensor.com[20] Internetové stránky http://www.temperatures.com[21] Internetové stránky National Instruments Co., http://www.ni.com[22] Internetové stránky Analog devices, http://www.analog.com[23] V. Ferrari, D. Marioli, A. Taroni, E. Ranucci: Multisensor Array of Mass Microbalancesfor Chemical Detection Based on Resonant Piezo-Layers of Screen-Printed PZT,EUROSENSORS XIII, The 13th European Conference on Solid-State Transducers,1999, The Hague, The Netherlands, pp.949-952.[24] Internetové stránky Argonne National Laboratory, http://www.anl.gov[25] Internetové stránky Bells Laboratory, http://www.bell-labs.com/[26] Internetové stránky University of Ferrara, http://www.fe.infn.it[27] Internetové stránky Sensors Magazine, http://www.sensorsmag.com

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 103[28] Geraint Williams and Gary S. V. Coles, The semistor: a new concept in selectivemethane detection , Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 57, Issues 1-3, 7September 1999, pp 108-11.[29] Szendiuch, I.: Technologie elektronických obvodů a systémů, VUTIM, Brno, 2002[30] Internetové stránky MEMS and Nanotechnology Clearinghouse,http://www.memsnet.org[31] Internetové stránky Courtesy Sandia National Laboratories, SUMMiTTM Technologies,www.mems.sandia.gov[32] Michael Kraft: Micromachined Inertial Sensors Recent Developments at BSAC,prezentace, Berkeley Sensor &Actuator Center, California,USA