senzory tepla, světla, mikrovln, el. proudů a...
TRANSCRIPT
Senzory tepla, světla, mikrovln, el. proudů (mag. polí) a biosenzory
Zdroje a literatura
• Pokud není uvedeno jinak, tak obrázky jsou převzaté z knihy a přednášek Prof. Ing. Miroslava Hušáka, CSc. z ČVUT, kterému tímto velice děkuji.
• Miroslav Hušák, Mikrosenzory a mikroaktuátory, ISBN 978-80-200-1478-8
Senzory tepla
• Kontaktní a bezkontaktní (např. pyroelektrický princip)
• Platinové odporové a klasické kapalinové jsou lineární, ostatní značně nelineární
Ekvivalence tepelných a elektrických veličin
• Pro modelování tepelných procesů lze využít elektrické veličiny, formálně mají stejné závislosti.
• Dříve používáno k tvorbě analogových modelů.
Teplotně závislé odporové senzory - termistory
• Velmi citlivé zejména v oblasti biologických teplot
• Nelineární
• PTC – kladný teplotní součinitel
– Dopovaný křemík, BiTiO3, polymerní s uhlíkem, často tlustovrstvá technologie
• NTC – záporný teplotní součinitel
– Polovodivé oxidy kovů
Křemíkové mikrosenzory – odpor šíření
• Vnitřní polovodič je teplotně závislý
• Polykrystalický křemík z důvodu i nejnižšího množství příměsí nad hodnotou instrinsické funguje jen v kryo oblasti
• Amorfní germanium lze použív v oblasti biologických teplot
Křemíkové mikrosenzory – odpor šíření
• Vnější polovodiče
• Si vhodný pro 100 K až 500 K
• Velké dopování nevhodné – viz graf
Křemíkové mikrosenzory – odpor šíření
• Hodní el. hrotová dioda - zhuštění proudových siločar
• Dop. 2*1014 cm-3 rezistivita 20 Ohm/cm, měřící proud mA
Tenkovrstvé SiC pro vysoké teploty
• Odporový princip, velký teplotní rozsah
• Vysoký odpor, funkce i ve vlhkém prostředí
• výroba RF naprašování, CVD
Tenkovrstvé Si polykrystalické odporové
• LPCVD, iontovám implantace, laserové modifikace – řízením dopování B řídí vlastnosti
• Tvarování odporového elementu litograficky
• Umístěné často na SiO2 a tím i zakryté, kontakty Al,
• Vysoká reprodukovatelnost výroby, levné, lze používat od -200 až do 200 oC
• Odpor např. 20 kOhm – 50 kOhm závislost jako u SiC
Teplotně závislí odpor dotované Si vrstvy
• Vhodné do průtokoměrů, atd.
• Odpor je úměrný pohyblivosti elektronů
Tenkovrstvé kovové odporové snímače
• Keramický Al2O3 substrát, vrstva Pt nebo Ni
• Tvar a tloušťka
• Citlivost typicky 0,5 Ohm/K - konstantní
Teplotní s PN přechodem
• Saturační proud diodou v propustném směru je funkcí teploty
Pro nízké teploty
Integrovaný senzor
• Vhodné na integraci i přímo do mikroobvodů
• Lze i na bipolárním tranzistoru např AD590
Teplotní senzor s CMOS tranzistory pracujícími v oblasti inverze
• Viz teplotní závislost pohyblivosti nosičů náboje, 2 um hradlo tloušťky 40 nm
• BiCMOS plošný
Polovodičové termoelektrické články
• Polovodiče mají vyšší termoelektrické napětí než kovy.
• dU = Ps * grad(T), Ps je Seebeckův koeficient
• Pro Si
Integrované senzory
• Úzké polovodičové (implantací) proužky a Al propojky
• Paralelní propojení
• Reálně nutné
realizovat na
membráně
SAW struktury
• Surface Acoustic Wave • Teplotní závislost rychlosti šíření povrchové akustické
vlny v LiNbO3 (časté) • Řešeno jako oscilátor se zpětnovazebnou zpožďovací
linkou • osc. fce. nepřímo úměrná zpoždění
SAW senzor teploty
• Vhodné rozměny např. l = 85.2 um
• 15 el. párů s a = 6.1 mm z LiNbO3 tloušťky 500 um na Al2O3 destičce
• Parametry nastaveny na osc. fr. 43 Mhz
• Lineární charakteristika
V -40 až 160 oC
Citlivost 4 kHz/oC
Šumové mikrosenzory
• Náhodný (tepelný) šum v pasivních součástkách
• Velmi malý výstupní signál, měřící rezistor na vstupu operačního zesilovače, lze použít i diodu nebo tranzistor jako snímač
Teplotní barevné indikátory
• Některé materiály mění s teplotou barvu
• Nestálé, degradují
• Často nálepky – vratné i nevratné varianty
• S kovy od 40 do 1350 oC
• S kapalnými krystaly -30 až 120 oC
Magnetická doména
• Extrémní citlivost mají SQUID
Hallův senzor
• Lorenzova síla působící na elektron pohybující se v magnetickém poli způsobí nabíjení protilehlých stran opačnými náboji
• Výsledkem je Hallovo napětí zajišťují rovnováhu • Rh pro kovy (Au, Cu) malé záporné u Si lze nastavit
Hallův koeficient pro Si podle dopování
Integrovaný Halluv senzor
• Mezi 1 a 2 teče proud, Halovo napětí mezi 3 a 4 • Epitaxní vrstva cca 5 až 10 um, rozměr 200 x 200 um,
vnímá vertikální B • Funkce jako magnetický kompas
Magnetodioda
• Vliv mag pole na diodové charakteristiky
• Opět Lor. síla, ovlivňuje průchod nosičů a jejich rekombinaci
Magnetodiody
• SOS – saphire on silicon
CMOS
Magnetotranzistory
• Měříme rozdíl mezi kolektory,
• Dva principy
– Vychylování nosičů náboje – Lorenzova síly vychýlí nosiče náboje a ty způsobí nerovnováhu mezi kolektory
– Modulace injekce – modulace emitorové injekce Hallovo napětí modulujeme pomocí emitoru proudovou injekcí
Vertikální struktura magnetotranzistorů
• Proud kolmo na povrch a mag. pole laterárně
• Dva typy
– DAMS – Differential Amplification Magnetic Sensor
– Magnetotranzistor s dvojitým kolektorem
DAMS
• Dva vertikální PNP tranzistory s společnou bází
• Kolmé mag. pole vytváří Hallovo napětí mezi emitory to moduluje injektoroké a tím také kolektorové proudy
• Výhodou je přímé zesilování malé úrovně H. napětí
Dvojitý kolektor
• Dva tranzistory NPN , báze a emitor společné
• Mag. pole vychyluzje elektrony k jednomu z kolektorů a tím vzniká rozdíl
Magnetotranzistor MOS-MAGFET
• Kanál MOSFET tranzistoru jako Halluv senzor
• Asymetrie v rozdělení proudu
MAGFET: a) n-kanálový, b) s dvojitou oblastí drain.
SAW senzor mag. pole
• Působením mag. pole na tenkou mag. vrstvu, kterou se šíří povrchově akustická vlna, dochází k modulaci parametrů šíření vlny
• Zapojujeme do obvodu oscilátoru, 250 kHz/mT
SQUID
• Supravodivý kvantově vázaný senzor
• Rozlišení fT, pole srdce v nT
• Kruhová struktura supravodiče YBa2CuO7 přerušená Josephsonovými přechody
Josephsonův jev
• Josephsonův jev (čti džouzefsnův,) je vznik elektrického proudu mezi dvěma supravodiči oddělenými tenkou vrstvou izolantu.[pozn 1] Existenci jevu předpověděl v roce 1962 Brian David Josephson.[2] Jedná se o speciální případ tunelového jevu, kdy částice procházejí zdánlivě neprostupnou bariérou. Zařízení využívající Josephsonův jev může mít formu mikroskopické elektronické součástky a nazývá se Josephsonův přechod (též kontakt či spoj).
• Jev má řadu aplikací v metrologii, medicíně, v obvodech pro kvantové počítání, v částicové fyzice i astronomii. Je základem zařízení SQUID, které extrémně přesně měří magnetická pole.
• V případě Josephsonova jevu procházejí izolační vrstvou tzv. Cooperovy páry elektronů se vzájemně opačným spinem. Takové párování elektronů, které je charakteristické pro supravodiče, funguje jen při nízkých teplotách a na krátkou vzdálenost zvanou koherenční délka.
https://cs.wikipedia.org/wiki/Josephson%C5%AFv_jev
Vývoje aplikací kvantové mechaniky ve fyzice nízkých teplot.
• Počátek 60. let byl dobou mimořádného vývoje aplikací kvantové mechaniky ve fyzice
nízkých teplot. • 1956 – Leon Cooper předpověděl párování elektronů. • 1957 – BCS teorie poprvé vysvětluje supravodivost na mikroskopické úrovni. V témže
roce Leo Esaki vyrobil první tunelovou diodu. • 1960 – Ivar Giaever experimentálně potvrdil předpovědi BCS teorie a objevil
tunelování elektronů mezi vodičem a supravodičem. Tunelování v pevných látkách se natrvalo stává součástí fyziky.
• 1961 – Potvrzeno kvantování magnetického toku supravodivou smyčkou (předpověď Londona z roku 1948).
• 1962 – Předpověď Josephsonova jevu (Brian Josephson – stáří 22 let). • 1963 – Experimentální potvrzení Josephsonova jevu. V letech 1961–1963
přednáší Richard Feynman svůj slavný kurs fyziky na Caltechu a Josephsonův jev uvádí v poslední přednášce cyklu jako aktualitu. Sám se v padesátých letech supravodivostí intenzivně zabýval.
• 1964 – Vyroben první DC SQUID. • 1965 – První RF SQUID. • V roce 1972 byla udělena Nobelova cena za fyziku za BCS teorii. O rok později ji za
svůj objev získal také Josephson společně s Giaeverem a Esakim, kteří zkoumali tunelování a přímo inspirovali Josephsonův objev.[14] Výzkum a technologický vývoj v této oblasti není zdaleka ukončen. Například v roce 2004 prokázal Ian Bairstow Spielman na Caltechu souvislost Josephsonova jevu s kvantovým Hallovým jevem na tenkých dvojvrstvách polovodičů.[15] V roce 2002 navrhli Jie Han a Pieter Jonker konkrétní realizaci klasického počítače, kde jsou bity reprezentovány proudem v supravodivých smyčkách a výpočetní jednotky jsou založeny na Josephsonově jevu. Jedna z výhod tohoto návrhu je možnost realizace kvantových i klasických výpočtů na stejné platformě.[16]
https://cs.wikipedia.org/wiki/Josephson%C5%AFv_jev
https://cs.wikipedia.org/wiki/Brian_David_Josephson
Josephsonův jev a SQUID
Spinově závislé tunelování
• Vysoká citlivost, práce při RT • Základ 3 vrstvy, krajní feromagnetické Ni, prostřední Al2O3
nebo jiný nevodič – velmi tenká, tvoří tunelovací bariéru • Pravděpodobnost tunelování závisí na orientaci
magnetizace Ni vrstev
Záření
Mikrosenzory ionizujícího záření
• Polovodičové detektory pracují na principu generování párů elektron – díra
• Mají dobré spektroskopické vlastnosti, ale často nutný kryostat, a mají malou účinnou plochu
• Časté jsou i klasické snímače trubice, scintilátory
Ionizující záření - fotodioda
• Dopadající foton generuje pár ve vyčerpané vrstvě, ten je přiloženým napětím rozdělen a tvoří el. proud
• Celkovou dávku lze měřit pomocí polykarbonátové vrstvy cca 5 um u ní dochází dopadem fotonů ke změně mech. vlastností – např. dozimetry
Ionizující záření – sensor s povrchovou bariérou
• Pro Alfa, gama, jádra
• Au elektroda na polovodiči
Neionizující záření
• Často Si
Fotorezistor
• Odpor klesá s osvitem
• Dopad fotonu vybudí elektrony z valenčního do vodivostního pásu
• 1k až 100 kOhm
Relativní spektrální citlivost
• Proto často CdS
Fotodioda
• Různé pn, PIN, Schottkyho, lavinová
• Vhodnou volbou od UV až do NIR
Fotodioda pn
• Si pn může detekovat v celém rozsahu 190 nm až 1100 nm
Fotodioda PIN
• má mezi vrstvou přechodu P a N vloženou vrstvu minimálně dopovaného polovodiče s velkou elektrickou pevností (až 500 V). Proto pracuje s velmi vysokými intenzitami elektrického pole v oblasti přechodu. Tím je dosaženo náběhu již v řádu 10−12–10−15 s.
BPW34/Q62702-P73
Fotodioda Schottky
• využívá usměrňujících účinků styku polovodiče a kovu. Polovodičem bývá nejčastěji křemík nebo GaAs typu N, kovem zlato nebo hliník. Schottkyho diody se nejčastěji zhotovují planárně epitaxní technologií.
http://www.creeaza.com/referate/fizica/FOTODIODE-CU-BARIERA-SCHOTTKY935.php
Au 50nm, ZnS 50 nm
Fotodioda - lavinová
• bývá předepnuta vysokým závěrným napětím řádu desítek až stovek voltů, často těsně pod průrazovým napětím, což umožňuje dosáhnout zisku okolo 100 až 1000. V tomto režimu jsou elektrony a díry excitované dopadem fotonů urychlovány silným vnitřním elektrickým polem a podobně jako ve fotonásobičích generují další nosiče, vzniká lavinový jev.
• Lavinová fotodioda sestává ze čtyř vrstev: N, P, čistého polovodiče a N+. Okolo vrstev N a P, mezi nimiž vzniká lavinový jev, se nachází ochranný prstenec z polovodiče typu N, který zvyšuje odolnost diody proti povrchovému napěťovému průrazu.
https://cs.wikipedia.org/wiki/Lavinov%C3%A1_fotodioda
Několikanásobná PIN
• Jednoduchý spektrální analyzátor
• Výcevrstvá báze I s heteropřechody, vrstvy citlivé na různé vlnové délky
• AlGaAs ve viditelné oblasti, AlGaN v UV
Fototranzistor
• Vyšší citlivost díky zesílení vzniklého proudu
• Foton generuje nosiče náboje v přechodu kolektor-báze
• Jako běžný tranzistor s fotodiodou mezi kolektor a bázi
V IR oblasti lze požívat
• Teplotní – termočlánky, pyroelektrické
• Kvantové - fotorezistory
Fotorezistory pro IR
• Tenká vrstva PbS (pro 2,2um fotony), PbSe (pro 3,8 um), HgCdTe (podle složení 12 až 16um).
• Teplotně závislé
Hradlové
• Ge, InGaAs, InAs, InSb
• Fotodiody
• InGaAs např. při 1,3 um s okénkem průměru 80 um proud ve tmě 100pA
Termoelektrické baterie
• Tenkovrtvově vytvořené 30um pásky kovů na Si membráně
• Pásky tvoří termočlánky Bi-Sb, pSi-Al, nSi-Au, • Pro vlnové délky 7 až 18 um • Problém je jen malý tepelný odpor Si konstrukce, lepší
GaAs konstrukce
Mikrobolometry
• Pyrometrický princip • Změny ohmického odporu bolometru dávají informaci
o toku fotonů • Nutné izolovat tepelně od okolí • Absorpční vrstva by měla mít konstantní abs. Koeficient
v celé rozsahu • Měříme teplotu jako změnu odporu zespodu nosníku
Mikrobolometry
• Z Si pokryté teplotně citlivým odporovým materiálem VO2 nebo SiN
• nožičky (zároveň kontakty) udržují senzor tepelně izolovaný od podložky, podložky s odrazivou vrstvou
• Lze použít jako termovizi
Pyroelektrické senzory
• Spontánní polarizace při změně teploty • Triglycinsulfát, PZT keramika, LiTaO3, PVDF (polyvinilfluorid) • Krystal materiálu je polarizován el. polem, zvýšením teploty dojde k
uvolnění (pootočení) domén to vytvoří nábojovou nerovnováhu , tj. napětí a proud obvodem
Pyroelektrické senzory
• Obvykle řešeno jako dvě elektrody
• Měříme změny v náboji
• Teplotně závislé
Mikrovlny – tepelné konvertory
• Lze použít fotodiody i fototranzistor – obdobné vlnové délky a určit výkon s ohledem na absorbovaný i odražený – to je ale složité
• Snadné je naopak převést MW na teplo a to změřit
Pasivní MW senzory
• Převod MW na teplo – fyzikálně definované, nezávisí na časovém průběhu MW signálu
• Membrána 1,5 um AlGaAs, NiCr absorbér
Senzory - biochemická doména
• Důležité v poslední době zejména rezonanční - SPR
Chemorezistory
• Mění se el. vodivost citlivé vrstvy • Citlivá vrstva
– Objemová – Plošná – silná cca 500nm/tenká do
300nm
• Zejména oxidy kovů a polymery • Často nutné zahřívání – tj. dodání
aktivační energie pro přenos náboje při chemoadsorpci
• Citlivost od ppm
Polymerní
• Vodivávrstva polypyrolen, polyaniline
• Polystyrene pro měření Ph
• PVC pro měření vlhkosti
Chemokapacitory
Mění se dielektrická konstanta v kondenzátoru vlivem okolních podmínek
Chemodiody
• Schottkyho pn přechod kovová elektroda + oxidová elektrody z vhodného snímacího oxidu
Organická S.d. s polymerním polovodičem (p typ)
Chemotranzistory
• Dioda + přímozesilující prvek
• Princip jako u tepla a světla od cca 1975
• H2 mění výstupní práci z Pd a je Pd rozložen na H, na rozhraní pak ovlivňují přechod
• OGFET varianta bez hradla na vstupu, změna v oxidové vrstvě
Teplotní chemické
• Pyroelektrické – teplotní senzor pokryjeme látkou, která ve styku s chemikálií mění teplotu
• Kalorimetrické – uvolněné teplo při řízené reakci
Gravimetrické
• QCM – krystal
Měříme hmotnostní změnu citlivé vrstvy nanesené na krystalu
– Selektivita – např. přidána filtrační membrána
– Existují pro detekci vůní a pachů – kosmetika, potravinářství
Gravimetrické
• SAW – viz dříve
• Opět šíření povrchové vlny přes nějakou oblast citlivou na snímané molekuly – změna hmoty
• Lze SO2 v ppb
Optické
• Změna optických vlastností
• Zdroj světla např. LED
SPR
• Viz např.
• doi:10.1016/j.snb.2011.08.036
Biosenzory
• Rozpoznává bioaktivní částice
• Celá škála zařízení