Загрузил berezov01

СДМ23-Презентация-1

реклама
НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«МИФИ»
Кафедра микро- и наноэлектроники
Подлепецкий Борис Иванович, bipod45@gmail.com
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
1
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Мероприятия
в процессе занятий
 Лекции
 Практические занятия
(включая 3 контрольные работы)
Экзамен
2
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
3
План курса
 1. Введение
 2. Дмнт для измерения физических величин
 3. Дмнт для измерения химических величин
Литература
1. Б.И. Подлепецкий, А.С. Бакеренков, М.Ю. Никифорова,Н.Н. Самотаев.
Сборник лабораторных работ по курсу «Датчики на основе микро- и
нанотехнологий»: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2017. – 92 с.
2. Клаассен К. Б. Основы измерений. Датчики и электронные приборы:
Учебное пособие. М.: ИД «Интеллект», 2012.
2. Топильский В.Б. Микроэлектронные измерительные преобразователи:
Учебное пособие. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.
3. Подлепецкий Б.И., Никифорова М.Ю. Химические сенсоры.М.:МИФИ, 2003.
4. Подлепецкий Б.И. Микроэлектронные датчики для измерения параметров
радиации. М.: МИФИ, 1990.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
4
1.Введение
1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
«Наука начинается с тех пор, как начинают
измерять. Точная наука немыслима без меры».
Д.И. Менделеев (1834 – 1907)
Измерение – процесс получения количественной
информации о величинах, характеризующих
состояние объекта измерения или какое-нибудь
явление. Процесс содержит экспериментальные
операции или последовательность экспериментальных и вычислительных операций. Результаты
измерения определяются значениями измеряемых
величин {хi} в общепринятых единицах их
измерения. Измерения, как правило, базируются на
использовании эталонных мер или преобразований,
которые реализуются на основе применения
специальных измерительных средств и методов.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
5
Средства измерений
По функциональной сложности и назначению средства измерений
подразделяются на устройства, приборы, системы и комплексы.
В электронных измерительных приборах и системах преобразования обычно
осуществляется последовательно соединенными преобразователями, которые
образуют измерительный канал (ИК).
Первый преобразователь в ИК, который непосредственно взаимодействует с
объектом измерения, называется первичным измерительным преобразователем (ПИП), а преобразователи, следующие за ПИП,  вторичными
измерительными преобразователями (ВИП). Понятия ПИП и ВИП отражают
структурно-функциональные свойства устройств, их место и роль в ИК.
Устройство - функционально законченный модуль в составе ИК, который
выполняет одну или несколько простейших функций: преобразование,
предварительная обработка, передача или отображение данных. Например,
датчики, усилители, коммутаторы, АЦП, передатчики и приёмники, микроконтроллеры, дисплеи. Устройства могут изготавливаться как конструктивно
законченные изделия (в отдельных корпусах) и (или) использоваться как
составные элементы в корпусах приборов и систем.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
6
Прибор – конструктивно и функционально законченная совокупность
устройств, выполняющих функции измерения и отображения
результатов измерения в количественной или качественной форме
(например, термометр, весы, барометр, дозиметр, рН-метр, детектор
утечки водорода, сигнализатор повышения концентрации метана).
Отличительной особенностью приборов является наличие устройств
отображения данных, которые могут представлять информацию в виде
световых и (или) звуковых сигналов (в детекторных приборах), либо
в числовом виде (в измерительных приборах).
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Система – конструктивно и функционально законченная
совокупность устройств и (или) приборов, как правило,
выполняющих
несколько
сложных
функций
(измерения,
управление процессом измерения, обработки и отображения
данных, оценка погрешностей измерения, принятия решений,
генерация управляющих сигналов и др.) и работающих по
заданным алгоритмам, программно и аппаратно реализованных
встроенными процессорами.
Например, анализатор энергетического спектра реакторного
излучения, микропроцессорная система анализа параметров
электрокардиограммы. Наличие устройств обработки данных
(процессоров) является основным признаком современных
электронных измерительных систем.
7
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Комплекс – совокупность функционально и конструктивно
законченных электронных и неэлектронных приборов и (или)
систем, как правило, раздельно размещённых, выполняющих
по заданным алгоритмам сложные измерительные и
управляющие функции.
Например, диагностический комплекс оценки психофизизиологического
состояния
человека-оператора,
аппаратно-программный
комплекс
для
испытания
на
надёжность элементов электронной техники.
8
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
9
Электронные
преобразователи
–
функционально
законченные преобразующие устройства на основе элементов
электронных схем (диодов, транзисторов, ПЗС, резисторов,
конденсаторов и др.) или чувствительных к неэлектрическим
величинам
элементов
(термопар,
элементов
Холла,
тензорезисторов, пьезоэлементов, фоточувствительных элементов, элементов на ПАВ и др.) или элементов,
преобразующих электрическую энергию в неэлектрическую.
Электронный датчик (ЭД)  конструктивно законченное устройство
(средство измерения), способное преобразовывать одну или
несколько физических величин в электрический сигнал или
электромагнитные волны для последующих преобразований,
передачи, обработки и отображения измерительной информации,
но не дающее пользователю возможность непосредственно
получить количественные данные об измеряемой величине.
Датчики являются составной частью измерительных приборов и
систем. Серийно выпускаемые датчики как средства измерения
должен быть метрологически аттестованы.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
10
Чувствительный элемент датчика (ЧЭ)
– преобразователь
физической величины, играющий роль первичного преобразователя.
Детектор (detector) – преобразователь физической величины, датчик
или прибор, предназначенный для обнаружения наличия в среде
определённых видов частиц и излучений или для определения факта
превышения контролируемой величины её допустимых значений.
Сенсор (нестандартизированный термин, транслитеризация англ.
термина «sensor»)  электронный твёрдотельный миниатюрный
преобразователь
физической
величины,
изготовленный
с
применением современных технологий (микро- и нанотехнологий,
нано- на микротехнологий, биотехнологий, порошковой металлургии,
оптоволоконной техники и др.).
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
11
Микро- и нанотехнологии – технологии, позволяющие создавать
твёрдотельные структуры и электронные элементы с линейными
размерами от 0,01 до 100 мкм.
Интегральные микросхемы (ИМС) – электронные устройства и
системы, содержащие в одном корпусе более одного электронного
элемента, изготовленных по микро- и нанотехнологиям.
Микроэлектроника – научно-техническое направление, связанное
с разработкой, производством и применением интегральных
микросхем.
Наноэлектроника (составляющая часть микроэлектроники) –
научно-техническое направление, связанное с разработкой,
производством и применением интегральных микросхем с
элементами, имеющими линейные размеры меньше 0,2 мкм.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
12
Информативный
параметр
входного
сигнала
электронного датчика или преобразователя (Х) –
параметр входного сигнала электронного устройства,
функционально связанный с измеряемой физической
величиной х.
Информативный
параметр
выходного
сигнала
электронного датчика или преобразователя (Y) –
параметр выходного сигнала электронного устройства,
функционально
связанный
с
информативным
параметром входного сигнала электронного датчика X. Во
многих книгах Х и Y называют соответственно
естественной входной и естественной выходной
величинами. .
ДАТЧИКИ
СЕРСОРЫ
НА ОСНОВЕ
И ДАТЧИКИ
МИКРОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
И НАНОТЕХНОЛОГИЙ
13
Методы измерения по принципу измерения разделяются на прямые
и косвенные. При прямых методах измеряемая величина х ≡ Х
(информативному параметру входного сигнала электронного датчика
или преобразователя). При косвенных методах величина х ≠ Х, и
значение х определяется за счёт дополнительных преобразований и
вычислений в соответствии с заранее известной функциональной
зависимостью х = f(Х).
Например, если температуру тела человека измеряют датчиком
температуры, который непосредственно контактирует с телом
человека, то это – прямой метод измерения; если температуру тела
человека измеряют без контакта с телом человека пирометрическим
прибором, в котором измеряемая мощность инфракрасного
излучения P преобразуется в температуру T в соответствии с
известной функциональной зависимостью T = f(P), то это –
косвенный метод измерения. Косвенные методы, как правило,
имеют большие погрешности, по сравнению с прямыми методами.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
14
1.2. Классификация электронных преобразователей и датчиков
По типу информативных параметров входной X и выходной величин Y
электронные преобразователи разделяются на три класса:
1. Преобразователи неэлектрических величин в электрический
сигнал (термопары, тензорезисторы, фототранзисторы и другие
чувствительные
элементы
датчиков)
–
преобразователи
физических величин (ПФВ). Согласно ГОСТу ПФВ – это устройство,
предназначенное для восприятия и преобразования контролируемой
физической величины в выходной сигнал. ПИП (кроме электродов)
относятся к преобразователям первого класса.
2. Преобразователи электрических величин в электрический сигнал:
электроды (ПИП); усилители, АЦП, ЦАП – (преобразователи
конвертирующего типа в структуре ИК являются ВИП.
3. Преобразователи электрических величин в неэлектрические
величины
(например,
светодиоды,
электронагреватели
или
охладители, электродвигатели, генераторы химических веществ  так
называемые, обратные преобразователи) называют актюаторами.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
15
По принципу работы электронные ПФВ и датчики могут быть
параметрического или генераторного типа (с подведением
электроэнергии и без её подведения).
В параметрических преобразователях изменение входной величины Х
приводит к изменению какого-нибудь параметра устройства
(электрического
сопротивления,
ёмкости
или индуктивности
преобразователя).
К
числу
таких
относятся,
например,
терморезисторы, тензоконденсаторы, фоторезисторы.
В преобразователях генераторного типа выходными величинами
являются напряжение или ток, значения которых непосредственно
(без подведения электроэнергии) изменяются под действием входной
величины (например, термопара, пьезопреобразователь, фотодиод).
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
16
Электронные преобразователи могут быть изготовлены в
конструктивно законченном виде как отдельные изделия в корпусах
или конструктивно-технологически интегрироваться в корпусах
датчиков, приборов или систем.
В корпусе датчика могут размещаться несколько ЧЭ и другие
электронные преобразователи (интегральные датчики).
По типу выходного сигнала Y электронные датчики (ЭД) разделяются
на аналоговые и цифровые. В аналоговых ЭД выходная величина
Y[X(t)] представляется значениями электрических напряжений или
токов (амплитудная модуляция), значениями длительности
импульсов постоянной частоты следования (время-импульсная
модуляция) или значениями частоты переменных электрических
сигналов (частотная модуляция). В цифровых ЭД значения
величины Y[X(t)] представляются либо в виде одноразрядного (для в
детекторных приборах) или многоразрядного двоичного кода (в
измерительных приборах).
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
17
Если преобразователи или датчики изготавливаются с использованием микро- или нанотехнологий, в том числе и технологий
интегральных
микросхем,
то
их
обычно
называют
микроэлектронными (МЭД).
Микроэлектронные датчики (МЭД) и преобразователи могут
состоять из одного преобразующего элемента (дискретные МЭД)
или из нескольких элементов (интегральные МЭД). Интегральные
МЭД
по
конструктивно-технологическому
признаку
можно
разделить на полупроводниковые, плёночные, гибридноплёночные и микросборки.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
По уровню структурно-функциональной сложности и степени
интеграции среди интегральных датчиков (ИД) можно выделить
простые и сложные. Простые ИД предназначены для
преобразования какой-нибудь одной физической величины и
содержат, как правило, один или несколько однотипных
чувствительных элементов и простейшие элементы вторичного
преобразования (мостовые схемы, преобразователи сопротивления,
усилители).
Например, интегральные датчики температуры AD590 («Analog
Devices») на основе схемы РТАТ, интегральные датчики давления
фирмы «Motorola» MPX5999 (тензорезисторный мост и схема
термокомпенсации), интегральные магниточувствительные датчики
фирмы «Sprague»UGN 3501 на основе преобразователя Холла и
дифференциального усилителя.
Как микроэлектронные изделия простые ИД можно отнести к
разряду ИМС малой и средней степени интеграции.
18
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
19
Сложные ИД могут содержать несколько чувствительных элементов,
элементы вторичного преобразования (усилители, коммутаторы,
преобразователи напряжение-частота, АЦП и др.), устройства
обработки и хранения данных (компараторы, счётчики, сумматоры,
перемножители, схемы памяти, процессоры) и актюаторные элементы.
Как микроэлектронные изделия сложные ИД относятся к разряду ИМС
большой и высокой степени интеграции.
В сложных ИД преобразование измеряемых величин в выходной
сигнал может осуществляться посредством многоступенчатых
преобразований физических и электрических величин с частичной
обработкой данных в реальном времени. Сложные ИД с большим
количеством однородных чувствительных элементов называют
датчиками матричного типа.
Например, фотоприёмные КМОП-матрицы HDCS 2000 фирмы
Agilent Technologies, интегральный датчик для анализа «запаха» на
основе
матрицы
газочувствительных
МДП-транзисторных
и
резисторных элементов фирмы Nordic Sensor Technologies.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
20
Сложные ИД, способные выполнять функции измерения и контроля
нескольких физических величин одновременно, автоматического
переключения каналов, автоматической коррекции систематических
погрешностей, адаптации к изменению эксплуатационных условий,
самодиагностики состояния элементов и автокалибровки, вычислений,
сравнений, принятия решений и формирования соответствующих
управляющих сигналов, называют интеллектуальными датчиками.
Согласно ГОСТ интеллектуальный датчик – адаптивный датчик с
функцией метрологического самоконтроля. Адаптивный датчик –
датчик, параметры и (или) алгоритм работы которого в процессе
эксплуатации могут изменяться в зависимости от внешних сигналов.
Характерная особенность интеллектуальных датчиков – наличие
обратных связей и устройств, обеспечивающих функции управления
измерением и коррекции метрологических и эксплуатационных
характеристик ИД. Обобщённая структурно-функциональная схема
сложного (многоэлементного) интегрального датчика представлена на
рис. 1.1.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
21
Рис. 1.1. Обобщённая структурно-функциональная схема сложного (многоэлементного)
интегрального датчика: Xi и Zj – основные и дополнительные информативные параметры
входных величин датчика; Yk – информативные параметры выходных величин; 1, 2 и 3 –
компоненты или элементы первичного преобразования основных, дополнительных и
вспомогательных величин соответственно; 4 – компоненты или элементы вторичного
преобразования и устройств сбора данных; 5 и 6 – основные или дополнительные
актюаторные компоненты или элементы; 7 – внутренние устройства управления обработки и
хранения данных; 8 – корпус датчика; 9 – вход внешних управляющих устройств.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
22
По типу информативного параметра входного сигнала X
микроэлектронные датчики и преобразователи можно
разделить на шесть классов (табл. 1.1.)
Таблица 1.1. Элементно-компонентный базис микроэлектронных датчиков
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Таблица 1.1. Элементно-компонентный базис микроэлектронных датчиков
23
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
24
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Таблица 1.1. Элементно-компонентный базис микроэлектронных датчиков
25
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
26
1.3. Структурно-функциональная схема современных ИИС и ИУС
1 – объект измерения и(или) управления; 2 – основные ПИП или датчики; 3 – дополнительные ПИП
или датчики; 4 – устройства нормализации и вторичного преобразования сигналов ПИП или датчиков
(устройства сбора данных); 5 – каналы передачи измерительных данных; 6 – устройства обработки
данных; 7 – устройства отображения информации; 8 – пользователь; 9 – устройства управления; 10 –
каналы передачи управляющих данных; 11 – исполнительные устройства; 12 – внешние влияющие
факторы 13 – «интеллектуальные» датчики. {Xi} и {Zj} – совокупности основных измеряемых величин и
параметров внешних влияющих факторов соответственно. Штриховыми линиями показаны возможные
связи, обеспечивающие функции управления в системе
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
27
1.4.Характерные тенденции развития измерительной техники
Средства и методы измерений постоянно совершенствуются
Начиная с 1965-70 годов
в результате создания
интегральных микросхем
характерными тенденциями
развития средств и методов измерения стали их
электронизация, микроминиатюризация,
компьютеризация и интеллектуализация
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
28
Электронизация средств измерения
В результате научно-технического прогресса существенно изменился
«облик» измерительной техники. Если 60 лет назад основными
измерительными средствами были устройства и приборы для измерения
одной величины и преобладали преобразователи физических величин в
неэлектрический сигнал (например, изменение температуры  линейное
перемещение столбика ртути, изменение силы  механическое
перемещение стрелки упругого элемента, изменение давления  линейное
изменение длины столбика жидкости), то современные средства
измерения представляют собой, как правило, электронные устройства,
приборы или системы, в которых измеряемые величины преобразуются в
электрический сигнал.
Преобразование физических величин в электрический сигнал с
помощью электронных устройств обеспечивает и упрощает дальнейшую
передачу и обработку измерительной информации. Это позволяет
повысить точность и быстродействие измерений, обрабатывать данные в
реальном масштабе времени и выводить результаты на современные
средства отображения и хранения информации.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Микроминиатюризация
Принципы
интеграции
электронных
компонентов
(например, модульные конструкции) использовались в
приборостроении ещё до появления микроэлектроники.
Однако именно микроэлектроника на основе интеграции
элементов с применением микро- и нанотехнологий
позволила совершить революционные преобразования в
повышении качества электронной измерительной
техники.
В результате существенно уменьшились габариты,
потребляемая мощность и стоимость средств измерения,
увеличились количество ИК и число измеряемых
величин,
повысилась
надёжность
электронных
компонентов измерительных приборов и систем.
29
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
30
Компьютеризация и интеллектуализация
Применения микропроцессоров и микрокомпьютеров
интеллектуализировали микроэлектронные измерительные
средства (МЭИС) и значительно улучшили метрологические
и эксплуатационные характеристики приборов и систем.
Повысились функциональная сложность, точность и
быстродействие измерений, расширились номенклатура и
области применения МЭИС. Применение ИМС и интегральных
датчиков позволяет создавать цифровые мобильные средства
связи, малогабаритные навигационные системы и сложные
сенсорные системы: «электронные глаза» (фото- и
видеокамеры), «электронные носы» и «электронные языки».
НИЯУ МИФИ, кафедра микро- и наноэлектроники
Подлепецкий Б.И.
СЕРСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Благодарю Вас за внимание
31
Скачать