Zusammenfassung und Festigung Vorbereitung auf
Werbung
ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Zusammenfassung und Festigung Vorbereitung auf Prüfung • Einleitung Begriffe und Definitionen, Messgrößen, wichtige Parameter, Sensortechnologien und Werkstoffe, Sensorsystem-Integration, Merkmale, Arten und Klassifikation von Sensoren • Thermische Effekte / Temperatursensoren • Mechanische Effekte / Dehnungs- und Kraft-Sensoren • Optische Effekte / Faseroptische Sensoren • Magnetische Effekte / Magnetfeldsensoren • Chemische Effekte / Chemosensoren V6-1 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Gliederung der Vorlesungen (1) UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 1. Thermische Effekte: Temperatursensoren – – – – – – – 2. Thermoelektrischer Effekt (Thermoelemente) Metall-Widerstandsthermometer Si-Temperatursensoren (Ausbreitungswiderstand) Dioden und Transistoren als Temperatursensoren Heißleiter und Kaltleiter (Thermistoren) Linearisierung von Halbleiter-Temperatursensorkennlinien Strahlungsthermometer (Pyrometer) Mechanische Effekte und Sensoren – – – – – Piezowiderstands- und piezoelektrischer Effekt Dehnungsmessstreifen (DMS) Piezoresistive und kapazitive Drucksensoren Mikromechanische Beschleunigungs- und Vibrationssensoren Ultraschall-Sensoren V6-2 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Gliederung der Vorlesungen (2) UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 3. Optische Effekte: Faseroptische Sensoren – – – – – 4. Magnetische Effekte: Magnetfeldsensoren – – – – – 5. Wirkprinzipien und Messeffekte faseroptischer Sensoren Intensitäts- und spektralkodierte Sensoren lnterferometrische und polarimetrische Sensoren Faseroptische verteilte Sensoren und Sensor-Netzwerke Fasergitter-Sensornetzwerke Galvanomagnetische Effekte HALL-Sensoren Magnetoresistive Sensoren Magnetooptische Sensoren (Faraday-Effekt) Faseroptische Magnetfeld-Sensoren Chemische Effekte: Chemosensoren – – – – – – Leitfähigkeitssensoren (Taguchi-Gassensor) Elektrochemische und Festkörper-Elektrolytsensoren (λ-Sonde) Chemisch sensitive Feldeffekttransistoren Kapazitive Feuchtesensoren Biosensoren Faseroptische Chemosensoren V6-3 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Begriffe und Definitionen V6-4 UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES 1. Sensorelemente wandeln physikalische, chemische oder biologische Messgrößen in elektrische Messsignale, die mit den Messwerten in einer eindeutigen Art und Weise in Zusammenhang stehen. 2. Eine aktive Messschaltung verarbeitet die primären elektrischen Messsignale zu einem standardisierten analogen Messsignal (Sensor mit Analogausgang). 3. Ein Mikro-Controller wandelt die analogen Ausgänge in digitale Ausgangssignale (Sensor mit digitalem Ausgang). 4. Ein Signal-Bus-Adapter passt die digitalen Signale an eine digitales Bus-Schnittstelle (busfähiger Sensor). Bus-kompatibler Sensor Sensor mit digitalem Ausgang Sensor mit standardisiertem analogem Ausgang Messgröße SensorElement Elektrisches Signal Messschaltung (Verstärker) AnalogAusgang DigitalAusgang µ-Controller + ADC Digitale BusSchnittstelle BusAdapter ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Sensor-Technologien und -Materialien UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES • Silizium-basierende Halbleiter-Technologien: Silizium: Einkristall, polykristallin, amorph Silizium-Verbindungen, Dotierungen • Andere Halbleiter-Technologien: III / V Halbleiter (GaAs, InP, ..) II / VI Halbleiter (ZnO, CdTe, ..) • Dünnschicht-Technologien: Breite Materialpalette (Metalle, Isolatoren, magnetische Werkstoffe, ..) • Dickschicht-, Keramik- und Folien-Technologien: Breite Materialpalette (halbleitende Keramiken, Polymere, ..) • Mikromechanik-Technologien : Silizium, Glas, Polymere • Mikrooptik-Technologien : Faseroptik (Quarzglas mit Dotierungen, Spezialgläser, Polymere) Integrierte Optik (Glas, Polymere, Lithium-Niobate, Silizium, GaAs) • Chemo- und Bio-Technologien : Breite Materialpalette (Polymer-Membranen, Indikator-Farbstoffe, Enzyme, Anti-Körper) V6-5 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Thermische Effekte: Temperatursensoren • Thermoelektrischer Effekt (Thermoelemente) • Widerstandsthermometer – Metall-Wíderstandsthermometer – NichtmetaII-Wíderstandsthermometer • Heißleiter (NTC-Widerstände) • Kaltleiter (PTC-Widerstände) • Si-Temperatursensoren (Ausbreitungswiderstand) • Dioden und Transistoren als Temperatursensoren • Linearisierung von Kennlinien • Strahlungsthermometer (Pyrometer) V6-6 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Thermoelektrischer Effekt (Seebeck 1822) V6-7 Thermoelement (Prinzipschaltung) (ll) Messstelle: Temperatur T2 (I) Vergleichsstelle T1= const. (z.B. T1 = 0°C) A,B - Metalle (Thermopaar) An Kontaktstelle zweier Metalle findet Diffusion von Leitungselektronen statt: Metall A mit niedrigerer Austrittsarbeit gibt Elektronen an Metall B ab und wird positiv elektrisches Feld an Grenzfläche, bis zum Gleichgewichtszustand: e- - Diffusion von A nach B rücktreibendes elektrisches Feld B -> A Kontaktspannung ~ Temperatur an Kontaktstelle ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Eigenschaften von Thermoelementen V6-8 Vorteile: • • • • weiter Temperaturmessbereich -200°C... + 1600°C keine Hilfsenergie erforderlich (aktiver Sensor) Robustheit, Zuverlässigkeit Langzeitstabilität und Reproduzierbarkeit der Kennlinie Nachteile: • kleine Messspannungen • unerwünschte Thermospannungen im Messkreis (bei längeren Zuleitungen sind Ausgleichsleitungen erforderlich) • konstante Vergleichsstellen-Temperatur erforderlich (bei Absolutmessung): Thermostatisierung oder Kompensations-Spannungsquelle ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Widerstandsthermometer Thermoresistive Effekte V6-9 Nutzung der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes von Metallen und verschiedenen Halbleiter-Materialien Stromfluss zur Widerstandsmessung notwendig (passiver Sensor) Metall-Widerstandsthermometer Widerstand metallischer Leiter wächst annähernd linear mit der Temperatur Streuung der Leitungselektronen an thermischen Gitterschwingungen (Phononen) der Metallionen R(T) ≈ R0 ⋅ [1 + α ⋅ (T - T0) + β ⋅ (T - T0)² ] R0 - Widerstand bei Temperatur T0; α, β - Materialkonstanten ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Kennlinien von Pt- und NiMesswiderständen Ni-100: ß ≈ +6,65·10-6 Pt-100: ß ≈ -0,58·10-6 V6-10 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Metall-Widerstandsthermometer Lineare Näherung V6-11 Da β etwa 3 Zehnerpotenzen kleiner als α, gilt in der Umgebung der Bezugstemperatur ϑ0 = 0 °C (T, T0 in °C) näherungsweise: R(ϑ) ≈ R0 [1 + α ⋅ (ϑ - ϑ0) ] = R0 (1 + α ⋅ ϑ) Empfindlichkeit: dR/dT = R0 α [ in Ω/K ] Temperatur-Koeffizient α = (1/R0) ⋅ (dR/dT) [ in 1/K ] α ≈ (1/T0) ≈ [1/(273 K)] ≈ 3,7 ⋅ 10-3 /K Tatsächlich liegt α für die meisten reinen Metalle im Bereich 3,5 ⋅ 10-3 /K < α < 5 ⋅ 10-3 /K ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Nichtmetall-Widerstandsthermometer Heißleiter (I) UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Bezeichnung auch: V6-12 NTC-Widerstand (Negative Temperature Coefficient) Thermistor (thermally sensitive resistor) Material: Polykristalline Halbleiter-Keramiken (z.B. sog. Spinell-Halbleiter) aus sinterfähigen Metalloxiden (oxydische Mischkristalle) Widerstand nimmt mit steigender Temperatur exponentiell ab negativer Temperatur-Koeffizient Physik: Bei Halbleitern müssen Valenzelektronen eine Aktivierungsenergie erhalten, um in das Leitungsband zu gelangen. D.h., die Konzentration der freien Ladungsträger ist zunächst gering und wächst mit steigender Temperatur Leitfähigkeit steigt elektrischer Widerstand nimmt ab (exponentiell). R (T ) ≈ R0 ⋅ e 1 1 b − T T0 R0 - Nennwiderstand bei T0 = (273,15 + 25) K, R0 = 1kΩ ... 1 MΩ b = EA/k [in K] - Material-Konstante (2000 K < b < 7000 K), bestimmt aus: EA - Aktivierungsenergie, k - Boltzmann-Konstante ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Nichtmetall-Widerstandsthermometer Heißleiter (II) UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES V6-13 Mit K0 = R0 · exp(-b/T0) R = K0 · exp(b/T) b Empfindlichkeit dR = − b2 K 0 ⋅ e T = − b2 ⋅ R (in Ω/K) dT T T mit steigender Temperatur werden Widerstandsänderungen immer geringer (Empfindlichkeit nimmt ab; in Regelungstechnik nimmt Regelsteilheit ab !) Temperaturkoeffizient 1 dR b α= =− 2 R dT T α(25°C) ≈ -4 · 10-2 /K (d.h., etwa 10 x größer als für Platin) ( in 1/K) ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Nichtmetall-Widerstandsthermometer Kaltleiter Bezeichnung auch: V6-14 PTC-Widerstände (Positive Temperature Coefficient) PTC-Thermistoren Material: Polykristalline ferroelektrische Halbleiter-Keramiken (dotiertes BariumTitanat Ba1-xSrxTiO3) • Widerstand im kalten Zustand relativ niedrig (mit negativem TK wie Heißleiter) • Oberhalb einer materialabhängigen Curie-Temperatur TC wird TK positiv, Widerstand steigt exponentiell (mehrere Zehnerpotenzen innerhalb ∆T ≈ 15°C). ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Widerstand eines Kaltleiters in Abhängigkeit von der Temperatur TA = Temperatur, bei der der Temperatur-Koeffizient positiv wird (~TC) TN = Nenntemperatur, Beginn des steilen Widerstandsanstiegs TE = Endtemperatur, Ende des steilen Widerstandsanstiegs V6-15 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Strom-Spannungs-Charakteristik von Kaltleitern IK = Kippstrom bei angelegter Spannung UK (Einsatz der Strombegrenzung) IR = Reststrom bei angelegter Spannung UB (Strom im abgeregelten Zustand) Umax = Maximale Betriebsspannung Im Praktikum beachten ! (Kippstrom ~ 47 mA) Praktische Anwendung von PTC: Strombegrenzungs-Widerstand, z.B. für Anlaufstrom von Motoren V6-16 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Allgemein: • Übersicht: Eigenschaften von Widerstandsthermometern Spannungsversorgung notwendig Selbstaufheizung bei zu hohem Messstrom möglich Passive Sensoren Metallwiderstände (Pt, Ni) Vorteile: meist sehr langzeitstabil und genau (gute Eichfähigkeit) gute Linearität Nachteile: kostenaufwändig wegen Gehäusetechnik meist langsam meist niedriger Widerstand, 4-Leitertechnik erforderlich • Keramik-Halbleiterwiderstände (NTC- und PTC-Thermistoren) Vorteile: sehr kostengünstig großer Messwiderstand realisierbar große Empfindlichkeit realisierbar ohne Gehäuse realisierbar, dann hohe Messgeschwindigkeit Nachteile: nichtlinear Empfindlichkeit ist temperatur-abhängig teilweise große Streuung (Einzel-Kalibrierung erforderlich) Nach Voralterung langzeitstabil und genau V6-17 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Dioden und Transistoren als Temperatursensoren V6-18 Am pn-Übergang einer Halbleiterdiode existiert eine temperatur-proportionale Diffusionsspannung (analog zur Kontaktspannung bei Metall-Thermoelementen), von der bei vorgegebenem Strom durch Diode die Durchlassspannung abhängt. Temperaturmessung aus Spannungsmessung am pn-Übergang Kennlinie einer pn-Diode für diffusionsbegrenzten Strom I (SHOCKLEY-Gleichung): e ⋅U I = I S ⋅ exp − 1 k ⋅ T α T Eg 0 I S = I S (T0 ) ⋅ ⋅ exp − k ⋅T T0 U - Spannung über der Diode, Boltzmann-Konstante k = 1,38·10-23 J/K, Elementarladung e = 1,6·10-19 As, Eg0 – Bandgap bei T = 0, T0 – Bezugstemperatur, α – bauelemente-abhängiger Exponent, IS – Sättigungsstrom Für U >> kT/e ≈ 25 mV (bei 25 °C) und konstantes I<<IS(T0) gilt ein nahezu linear mit wachsender Temperatur abfallendes U(T): Eg 0 kT U= − e e I S (T0 ) T ⋅ ln + α ⋅ ln T0 I TK(Si-pn): dU/dT ≈ -2 mV/K Anstelle Diode kann auch Basis-Emitter-Übergang eines Transistors verwendet werden. ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Mechanische Effekte und Sensoren V6-19 • Piezoresistiver Effekt: Dehnungsmessstreifen (DMS) – Grundlagen – Metallische DMS – Halbleiter (Si) - DMS • Kraftmessung mit DMS • Druckmessung mit DMS – Drucksensoren mit Metall-DMS (Rosette) – Integrierte piezoresistive Si-Drucksensoren • Kapazitive Drucksensoren • Mikromechanische Beschleunigungs-/Vibrations-Sensoren • Piezoelektrische Sensoren – Piezoelektrischer Effekt – Piezoelektrische Druck/Kraft-Sensoren ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Grundlagen des piezoresistiven Effekts V6-20 Widerstand eines elektrischen Leiters: R = ρ⋅l/A (1) ρ - spezifischer Widerstand des Materials A = π⋅r² - Querschnitt eines Drahtes von Radius r und Länge l Eine Dehnung ∆l/l = ε bewirkt eine Widerstandsänderung ∆R (dieser Effekt wird im Bereich der elastischen Verformung des Materials genutzt). Berechnung des Effektes aus totalem Differential von (1): ∆R = δR/δρ ⋅ ∆ρ + δR/δl ⋅ ∆l + δR/δr ⋅ ∆r (2) Mit ∆l/l = ε (Dehnung) und µ = -(∆r/r)/(∆l/l ) (Poisson-Zahl) ist ∆R/R = [ (∆ρ/ρ)/ε) +1 + 2µ ] ⋅ ε = K ⋅ ε (3) K - Dehnungsempfindlichkeit, Skalenfaktor des Dehnungsmessstreifens (DMS): K = 2 ... 6 µ - Poisson-Zahl (Querkontraktionszahl): µ = 0,2 ... 0,5 µ = 0,5 bei ∆V = 0, d.h., wenn das Volumen bei Dehnung konstant bleibt. ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Dehnungsmessstreifen (DMS) V6-21 UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Verformung eines Draht-Leiters bei Dehnung Aufbau eines DMS ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Metallische DMS-Widerstände UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES V6-22 DMS-Fläche: 1 mm² bis ca. 20 x 5 mm² Zulässige Dehnung: εmax = ± 4·10-3 (bei relativem Linearitätsfehler Fr ≤ 0,1%) • Bei Überlastung plastische Verformung: Auswechslung bzw. Neukalibrierung erforderlich • Dehnungsmessbereich 10-6 ... 10-3 liefert wegen geringer Empfindlichkeit (k-Faktor 2 ... 6) nur kleine Widerstandsänderungen: i.a. Auswertung in Brückenschaltungen Temperaturbereich: Standard - 50 ... +200 °C; Hochtemperatur-DMS (Pt-Draht) bis ca. 1000 °C Nennwiderstände: 120 / 300 / 600 Ω zulässige Strombelastung: 20 mA bei 300 Ω Konstantan-DMS: • thermischer Ausdehnungs-Koeffizient αKo = 12 µm/m/K, etwa der von Stahl und Beton bei solchen Messobjekt-Materialien ist für Konstantan-DMS keine TemperaturKompensation erforderlich • außerdem ist T-Abhängigkeit des k-Faktors relativ klein: TK(kKo) ≈ -3·10-5 /K ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Halbleiter-DMS-Widerstände UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES V6-23 Dehnungsempfindlichkeit k von dotierten Silizium-DMS-Widerständen ist wesentlich größer als bei metallischen DMS. k hängt von Dotierung und Kristallorientierung ab; z.B. typischer Wert k = 120, p-Si: k-Werte bis 200 (positiv !) n-Si: k-Werte bis -100 (negativ !) allerdings ist der Bereich der elastischen Verformbarkeit des spröden Si <10-3 Ursache für hohe k-Werte: Änderung des spezifischen Widerstandes ρ durch mechanische Spannung σ in Halbleitern; bei Dehnung ändern sich Bandabstand und Dichte der Ladungsträger im Halbleiter Piezowiderstandseffekt (piezoresistiver Effekt) ∆ρ/ρ = Π ⋅ σ • Π - piezoresistiver Koeffizient, i.a. symmetrischer 6x6 Tensor mit 21 Komponenten; im kubischen Si-Kristall nur 3 unabhängige Komponenten Π11, Π12, Π44 • Werte hängen vom Leitungstyp und Dotierungskonzentration ab • Man unterscheidet longitudinalen u. transversalen Piezowiderstandseffekt (Stromfluss parallel bzw. senkrecht zur mechanischen Spannung) mit ΠL u. ΠT (berechnen sich aus Π11 ... und sind dementsprechend abhängig von der Kristallorientierung Si-DMS meist nicht diskreter Sensor, sondern im Si-Chip monolithisch integriert ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Membran eines piezoresistiven Druckaufnehmers Siliziumchip mit eindotierten Widerständen R1 bis R4 R auf Oberseite; mit zunehmendem Druck: R1, R4 - Stauchung, R2, R3 - Dehnung Schnitt durch den unbelasteten Chip Schnitt durch den belasteten Chip mit gedehnten (+) und gestauchten (-) Bereichen Schaltung der eindotierten Widerstände: R1, R4 - Stauchung, R2, R3 - Dehnung 1 – 4 Eingang Brückenbetriebsspannung, 2 – 3 Ausgang Messspannung V6-24 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Faseroptische Sensoren (FOS) UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES V6-25 Physikalisch - technische Wirkprinzipien, Komponenten, Eigenschaften und Klassifizierung Multimoden - FOS: lntensitätsmodulierte und spektral-kodierte Sensoren Monomode - FOS: lnterferometrische und polarimetrische Sensoren Verteilte Sensorsysteme und Sensornetzwerke: OTDR - Technik, Multiplexen, Faser-Bragg-Gitter (FBG) Anwendungen: - Industrielle Prozesskontrolle Luft- und Raumfahrt Medizin- Bio- und Umwelttechnik Energietechnik Geotechnik/Bauwerksüberwachung Verkehrstechnik ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Lichtwellenleiter-spezifische Vorteile faseroptischer Sensoren Einsetzbarkeit in - starken elektromagnetischen Feldern, chemisch aggressiven oder explosiven Umgebungen, Hochspannungs- oder Kernstrahlungsbereichen, schwer zugänglichen Bereichen und bei hohen Temperaturen Potentialfreiheit, hohe Empfindlichkeit Möglichkeit der extremen Miniaturisierung und flexiblen Konfektionierung Integrationsmöglichkeit (Einbettung) von Sensorfaserstrukturen in Verbundwerkstoffe („Smart Structures“) Realisierbarkeit von Lichtleiter-Sensornetzwerken und größeren Entfernungen zwischen Messstellen und Auswerteeinheit („Remote Sensíng“) V6-26 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Prinzipien der Signalkodierung in faseroptischen Sensoren V6-27 Direkte oder indirekte Modulation des Lichtes E x,y (z,t) = A cos (ω ωt - kz+δ δ) durch die zu messende Größe: - Intensität A (Amplitude) - Wellenlänge λ (spektrale Verteilung), λ = c 2π π/ω - Phase δ (optische oder Phase eines Modulationsträgers) - Polarisation Ex/Ey (oder differentielle Phase) - Zeitabhängigkeit von Frequenz ω(t), Pulsdauer, Abklingzeit Zuleitungsfaser Lichtquelle Po Zuleitungsfaser Sensitives Element (Transducer) P(x) Opto-elektronischer Nachweis S(x) Stromversorgung Messgröße X Elektronische Signalverarbeitung ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Klassifizierung faseroptischer Sensoren V6-28 1. Signalverarbeitungseinheit ⇔ 2. Signaltransport über optische Faser ⇔ 3. Punktueller oder verteilter Sensor 1. 2. a) Extrinsischer Fasersensor – Lichtparameter ist außerhalb der optischen Faser moduliert b) Intrinsischer Fasersensor – Lichtparameter ist innerhalb der optischen Faser moduliert c) Hybrid-Fasersensor – elektrisches Sensorprinzip, faseroptische Signalübertragung 3. ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Mikromechanische Si-Komponenten für faseroptische Sensoren UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Sensorelement mit 2 Spiegeln als faseroptischer Transmissionssensor Messgröße: Absorption oder Streuung in Gasen oder Flüssigkeiten V6-29 Sensorelement mit reflektiver Zunge als faseroptischer Vibrationssensor und Beschleunigungssensor ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Faseroptische SensorKonfigurationen Einzelpunkt-Sensor Optische Faser Mehrere (quasi-verteilte) Punktsensoren Verteilter Sensor V6-30 Sensorelement Mehrere Sensorpunkte Kontinuierliches faseroptisches Sensorelement ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LWL-Sensoren: Konzepte der SignalKodierung und -Verarbeitung Intensitätsmodulierte Sensoren Phasenmodulierte interferometrische Sensoren Spektral kodierte Sensoren V6-31 - Low-Cost und einfache technische Lösungen - Niedrige Genauigkeit und Stabilität (Einfluss von Lichtquellen-Intensität, Faserverluste, ..) - Referenzkanal notwendig (2 Wellenlängen, spektrale Lichtmessung, ...) - Anwendungen in der Automation & Steuerung (Ein-Aus-Sensoren), Medizin - Hochempfindliche, aber teuer und anspruchsvolle technische Lösungen (z.B. Faserkreisel) - Querempfindlichkeiten (Temperatur, ...) - Anwendungen in der Präzisionsmessung, Militär (LWL Hydrophone), seismische Messungen - Potenzial für kosteneffiziente technische Hochleistungssensoren (Bragg-GitterSensorsysteme, bio-chemische Sensoren) mit optoelektronischer Signalverarbeitung (Mini-Spektrometer) - Langzeitstabilität, Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit - Austauschbarkeit (Kalibrierung durch absolut definierte Wellenlänge) - Anwendungen in der industriellen Prozesskontrolle, Umwelt und Strukturüberwachung, Bio-Medizin ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Magnetische Effekte Magnetfeldsensoren • Einleitung: Anwendung und Arten von Magnetfeldsensoren • Grundlagen des Magnetismus • Galvanomagnetische Effekte – Hall-Effekt: Hall-Sonden – Magnetowiderstandseffekt: Feldplatten • Magnetoresitive Sensoren (ferromagnetische Dünnfilm-Sensoren) • Faseroptische Magnetfeld-Sensoren – Magneto-optischer Effekt: Polarimetrie – Magnetostriktiver Effekt: Interferometrie V6-32 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Hall-Effekt (I) V6-33 UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Genutzt als Sensor-Effekt in Hall-Sonden (nach E.H. Hall, 1879) B ⊥ lS ⊥ UH dünnes Plättchen der Dicke d, Länge L, L >> d, und Breite b, ist senkrecht von Magnetfeld B durchsetzt: b IS L Bei Steuerstrom lS in Längsrichtung kann an den Seiten eine Hall-Spannung UH abgegriffen werden, die infolge der Lorentz-Kraft FL entsteht: FL = e0 · v · B FL wirkt auf die Elektronen und lenkt sie ab, so dass eine Seite des HallPlättchens an Elektronen verarmt und die andere entsprechend angereichert wird. Es baut sich ein elektrisches Hall-Feld EH auf, das auf die Elektronen die Gegenkraft Fe ausübt: Fe = e0 · EH ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Hall-Effekt (II) V6-34 UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Die beiden Kräfte stehen im Gleichgewicht: FL = Fe , d.h., EH = v · B , so dass an einem Plättchen längs der Breite b die Hall-Spannung UH entsteht: UH = E · b = v · B ·b (1) „Hall-Generator“ IS 1 Für die Stromdichte S gilt: v= ⋅ S = IS / (b·d) = n · v · e0 n ⋅ e0 b ⋅ d n - Elektronenkonzentration Einsetzen von v in (1) ergibt: 1 IS IS ⋅ B UH = ⋅ ⋅ B ⋅ b = RH ⋅ n ⋅ e0 b ⋅ d d Hall-Spannung RH = 1/n·e0 in cm³/As - materialabhängige Hall-Konstante Hall-Spannung ist um so größer, je kleiner die Ladungsträgerkonzentration n Halbleiter (Si oder GaAs mit n ≈ 1015 /cm³) sind für Hallsensoren besser geeignet als Metalle (z.B. Cu mit n = 8,7·1022 /cm³) ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Hall-Effekt (III) V6-35 UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES B IS n IS IS ⋅ B 1 UH = ⋅ ⋅ B ⋅ b = RH ⋅ n ⋅ e0 b ⋅ d d L UH ~ 1/n , 1/d dünner Halbleiter ! Vorzeichen abhängig von Stromrichtung und -Feldrichtung ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Magnetowiderstandseffekt (Gauß-Effekt) V6-36 Ablenkung der Stromlinien durch Lorentz-Kraft führt zu einem längeren Weg der Elektronen und damit zu einem höheren Widerstand Effekt wird besonders groß bei Verringerung des Elektrodenabstands, d.h. für sehr kurzes breites Plättchen (I « b) Feldplatte (Magnetowiderstand) RB = R0 · (1 + k · B²) R0 - Widerstand bei B = 0 Quadratischer Effekt - Widerstandsänderung nicht von Polung des B-Feldes abhängig (anders als bei Hall-Effekt) ! k ~ (µ/E)² ~ Ladungsträgerbeweglichkeit µ d.h., III/V Halbleiter mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit wie InSb oder InAs werden bevorzugt für Feldplatten verwendet. ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Interferometer mit magnetostriktiven Materialien V6-37 Faseroptisches Mach-Zehnder-Interferometer: Laser Faserkoppler Faserkoppler Empfänger Empfänger Magnetfeld B Primärer Messeffekt: Längenänderung ∆L Phasenverschiebung ∆φ Magnetostriktives Transducer-Material: Co, Ni, Tb0,3Dy0,7Fe2 (Terfenol-D), metallische Gläser ∆φ = ∆L · 2πn/λ als Wickelkörper oder als Dünnschicht-Faser-Überzug λ – Licht-Wellenlänge n – effektiver Brechungsindex der Lichtleitfaser ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Chemo- und Biosensoren V6-38 • Leitfähigkeitssensoren: Taguchi-Gassensor • Flüssigelektrolyt-Sensoren: Clark-Zelle (amperometrischer Sensor) • Festelektrolyt-Sensoren: λ-Sonde (potentiometrischer Sensor) • CHEMisch sensitive Feld-Effekt-Transistoren (CHEMFET): Ionen-Sensitiver FET (lSFET) ENzym-sensitiver FET (ENFET) • Kapazitive Feuchtesensoren • Biosensoren • Optochemische Sensoren (Optoden) ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Chemisch-sensitive Feldeffekt-Transistoren V6-39 Ionen-Sensitiver Feld-Effekt-Transistor = ISFET Si-SiO2-MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) mit ionenselektiver Membran auf der Gate-Elektrode Ionen bewirken Feldänderung zwischen Gate und Halbleiter-Substrat Änderung von Schwellspannung UT und Source-Drain-Strom ISD. ISD MessDurchlässige GateFlüssigkeit UG Elektrode ISD Mit Ionen Ohne Ionen Ionen-selektive Membran SiO2 UT‘ UT Anwendungen: • pH-Messung –Ta2O5-Membran • Messung von Alkali-, Ammonium- und Halogenid-Ionen in Lösungen ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Kapazitive Feuchtesensoren V6-40 UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Kapazität C eines Kondensator der Plattenfläche A und Plattenabstand d: C = εr · ε0 · A / d εr - Relative Dielektrizitätskonstante ε0 - Dielektrizitätskonstante des Vakuum ε0 = 8,854·10-12 As/Vm Bei Eindringen von Wasserdampf (Feuchte) in eine Polymerschicht (z.B. Polyimid) : Änderung ∆C der Kondensator-Kapazität durch Änderung ∆εr der relativen Dielektrizitäts-Konstanten. Empfindlicher Nachweis dieser variablen Sensorkapazität durch Schwingkreis – Änderung der Resonanzfrequenz Hochfrequenz-Messbrücke – analoge Brückenverstimmung Auf Silizium-Substrat monolithische Integration der Signal-Verarbeitung preiswerter miniaturisierter Feuchtesensor Messbereiche: 0 ... 100% rH (relative Feuchte = Anteil von gesättigterFeuchte) im Temperaturbereich -80 ... + 175 °C ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA Faseroptische Abstandsmessung V6-41 UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES a) 1 Faser + Faserkoppler Quelle, I0 b) Detektor, I(L) 2Rf L 1 L Charakteristik hängt ab von: I(L) ~ I0· [ Rf/(Rf + L·NA) ]² 0.8 - Numerische Apertur - Faserradius - Faserabstand NA=0,15 0.6 0.4 NA=0,25 0.2 0 2 parallele Fasern 0 2 4 L/Rf 6 8 10 0 2.5 L/mm 5 ERNSTABBEHOCHSCHULE JENA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Anwendung: Medizinischer Hirndruck-Sensor V6-42 Fa. Camino/USA
