Mikrosystemy, czujniki

Przykładowa konstrukcja czujnika przepływu LTCC

Na belce zawieszonej w kanale, przez który przepływa płyn lub gaz umieszczone są równolegle. Środkowy rezystor służy na jako grzejnik. Dwa pozostałe zewnętrzne rezystory służą jako czujniki. Dla analizy przyjmuję kolejność rezystorów następującą.

Jeżeli ciecz bądź gaz wpływają do kanału i najpierw trafiają na R1 potem na R2 a na końcu n R3 to R1 wskazuje najmniejszą (efekt termorezystywny) rezystancję. R2 nagrzewa substancję przepływającą a substancja podgrzewa R3. co powoduje zwiększenie temp R3 i jego rezystancji. Gdy ciecz wpływa od strony R3 wtedy temp na r3 jest mniejsza niż temp na R1. R1>R3.  Rezystory są połączone w mostek. Na przekątnej mostka można wykryć nie tylko zmianę szybkości przepływającej cieczy ale również kierunek przepływu. Prędkość przepływu zmienia ilość przekazywanego ciepła z grzejnika do rezystorów za nim. Co zmienia rezystancję czujników.

Psychrometrem nazywa się odpowiedni zestaw dwu jednakowych termometrów zwykłych,
z których jeden, zwany suchym, wskazuje aktualna temperaturę powietrza. Drugi termometr, mający zbiornik owinięty wilgotnym batystem, nazywamy zwilżonym.

Po zwilżeniu batystu woda paruje z niego początkowo prawie wyłącznie kosztem ciepła pobieranego ze zbiornika termometru. Wskutek tego temperatura termometru zwilżonego opada. Gdy dopływająca z otoczenia ilość ciepła zrówna się z ilością traconego na parowanie wody z batystu na termometrze zwilżonym, temperatura tego termometru przestaje opadać ustalając się na poziomie najniższym w danych warunkach pogodowych i wentylacyjnych. Poziom ten zależy od niedosytu wilgotności, temperatury i ciśnienia powietrza oraz prędkości wentylacji termometrów.

Na podstawie temperatur termometrów suchego i zwilżonego, odczytanych praktycznie jednocześnie, odczytuje się z tablic psychrometrycznych (lub na podstawie wzorów) wartości charakteryzujące zawartość pary wodnej w powietrzu.

W użyciu są dwa rodzaje psychrometrów: aspiracyjny (wentylowany), mający urządzenie do sztucznej wentylacji termometrów, i Augusta (prosty) bez urządzenia wentylacyjnego. Psychrometry aspiracyjne zapewniają przepływ powietrza wokół zbiorników termometrów, praktycznie biorąc ze stała prędkością i dlatego dają lepsze wyniki pomiarów niż psychrometr Augusta. Na stacjach meteorologicznych wilgotność powietrza mierzy się psychrometrem aspiracyjnym.

Wilgotność względną wyznacza się z empirycznego wzoru (funkcja temp. termometru suchego, mokrego, prędkości przepływu powietrza itd…)

Rezystory termoelektryczne, zwane inaczej rezystywnymi detektorami temperatury (RTD – Resistive Temperature Detectors), są czujnikami temperatury w których wykorzystuje się dodatni temperaturowy współczynnik rezystancji metali. Metale mają niską wartość rezystywności ρ, która rośnie wraz ze wzrostem temperatury, co spowodowane jest rozpraszaniem elektronów wskutek istnienia drgań cieplnych sieci i obecności domieszek.

Zależność rezystywności ρ od temperatury, w pobliżu i powyżej temperatury pokojowej, jest w przybliżeniu liniowa.

W przypadku elementów grubowarstwowych w warstwie oprócz podstawowego składnika przewodzącego jest również obecny materiał ułatwiający proces spiekania ziaren metalu oraz zapewniający odpowiednią przyczepność warstwy do podłoża – jest nim zwykle szkło i/lub odpowiednie tlenki.

Ze względu na niską rezystancję powierzchniową wypalanych warstw w celu wytworzenia elementu o łatwo mierzalnej rezystancji stosuje się konstrukcję typu meander (zwiększenie długości rezystora a więc także jego rezystancji), która niestety musi być drukowana na stosunkowo dużej powierzchni podłoża.

Rozwiązaniem jest stosowanie past opartych o metaloorganiczne związki platyny (mają mniejszą grubość a więc większe rezystancje, jednak TWR jest niższy) lub stosowanie korekcji laserowej.

Właściwości grubowarstwowych RTD:

• niższe wartości TWR niż w materiale litym
• wyższe rezystancje niż w materiale litym
• możliwość integracji z układem hybrydowym przetwarzającym sygnał elektryczny

Typowe materiały stosowane do produkcji grubowarstwowych RTD:

• Platyna Pt – wysokie i liniowe TWR, duża stabilność, możliwość pracy bez degradacji w różnych środowiskach w wysokiej temperaturze; wysoka cena
• Nikiel Ni – bardzo wysoki TWR, wysoka rezystancja, niska cena; mniejsza stabilność, TWR nieliniowe, materiał magnetyczny
• kompozycje cermetowe – duże dodatnie TWR, duża czułość temperaturowa

Jedna z podstawowych metod poprawy selektywności czujników gazu jest zastosowanie matrycy kilku czujników.

Poszczególne czujniki posiadają warstwy czynne różniące się właściwościami(typ materiału czynnego SnO₂, ZnO, WO₃, Al₂O₃, TiO₂ skład SnO₂(Pt, Pd), ZnO(Pt, Pd) czasami również budowa warstwy, lub budowa samego czujnika)co sprawia, iż reagują one w różny sposób(odpowiedz poszczególnych czujników na dany gaz jest odmienna) na poszczególne gazy(czy też różne ich stężenia). Wykorzystując do analizy dane uzyskane z takiej matrycy(często do tego celu wykorzystuje się sieci neuronowe) zwiększamy selektywność pomiaru.

Oprócz wyżej wymienionego sposobu wyszczególnić można poprawę selektywności poprzez:

• modulację koncentracji gazów otaczających atmosferę czujnika(stosowanie warstw przepuszczających tylko, bądź w największym stopniu, gaz(y) którego stężenie podlega pomiarowi)zmianę temperatury pracy czujnika – w różnych temperaturach czujniki danego typu wykazują różną czułość na poszczególne gazy. Na podstawie zmian odpowiedzi czujnika na zmieniającą się temperaturę precyzyjniej można określić typ gazu zawartego w atmosferze otaczającej czujnik.
• zmianę napięcia zasilającego czujnik(jak wyżej).
• pomiar wielu wielkości charakteryzujących stan czujnika w danej chwili(rezystancja, pojemność, indukcyjność, tangens kąta stratności itd. ), oraz odpowiednia obróbka(przygotowanie) tego sygnału – linearyzacja, normalizacja, uśrednienie.
• pomiar amplitudy, przesunięcia fazowego częstotliwości rezonansowej(odchyłki).
• odpowiednią obróbkę danych pomiarowych – np. analiza sieciami neuronowymi.