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