Mikrosensory półprzewodnikowe dr hab inż Katarzyna Zakrzewska prof

Mikrosensory półprzewodnikowe dr hab. inż. Katarzyna Zakrzewska, prof. AGH Katedra Elektroniki, C-1, p. 317, tel. 12 617 29 01, tel. kom. 601 51 33 35 zak@agh. edu. pl Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 1

Organizacja zajęć • • • Wykład 30 h, Laboratorium 30 h Prowadzący laboratorium: mgr inż. Zbigniew Sobków W laboratorium spotkamy: dr Marię Lubecką dr Adama Czaplę i dr Adrzeja Brudnika Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 2

Warunki zaliczenia wykładu: l l l Obecność na wykładzie obowiązkowa Dopuszczalna jest 1 nieobecność nieusprawiedliwiona, powyżej 50% nb nawet usprawiedliwionych przedmiot nie będzie zaliczony Przedstawienie prezentacji własnej wybranego tematu w ustalonym terminie Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 3

Tematy wykładów: l l l l Wprowadzenie do zagadnień mikrosensorów półprzewodnikowych Sensory (bio)chemiczne Sensory temperatury Sensory wielkości mechanicznych Sensory ciśnienia przepływu Sensory optyczne Sensory promieniowania i detektory cząstek Sensory magnetyczne Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 4

Tematy prezentacji studenckich: 1. 2. 3. 4. 5. Sieci sensorowe Elektroniczny „nos” Sensory a zmieniający się klimat naszej planety Sensory w walce z terroryzmem Dowolny (zaproponowany i uzgodniony z wykładowcą) temat związany z wykładem Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 5

Organizacja zajęć: laboratorium • Przykładowy temat: Automatyzacja stanowiska do badania dynamicznych odpowiedzi czujników gazowych • Wykonanie: indywidualna praca przy konsultacji z opiekunem • Ważne terminy: pokaz stanowiska pomiarowego: październik 2010 obowiązkowy punkt kontrolny: koniec listopada 2010 zakończenie zadania i pokaz działającej aplikacji: styczeń 2011 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 6

Przebieg pracy laboratoryjnej: 1. 2. 3. 4. 5. Uczestnictwo w pokazie stanowiska pomiarowego (obowiązkowe) Konsultacje z opiekunami, ustalenie zakresu i sposobu działania Dodatkowe, przynajmniej jedno spotkanie w laboratorium (inicjatywa wychodzi od studenta) Obowiązkowy punkt kontrolny w listopadzie Rozliczenie zadania (dokumentacja i pokaz działającej aplikacji) Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 7

Laboratorium sensorów gazu, C-1, p. 312 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 8

Stanowisko do badania dynamicznych odpowiedzi sensorów gazu 1 - Komora do badań oddziaływań gazu z sensorem; 2 - Układ dozowania gazów; 3 – Układ pomiarowy i akwizycji danych Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 9 5

Zasada działania „nosa” elektronicznego Brazilian coffee Smell Brain Odor fingerprint Data Acquisition treatment Sensor responses Signal treatment Neurons Odor fingerprint comparison RESULTS Data processing Brazilian coffee Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 10

Elektroniczny nos TRAINING MODE 1 2 Results matrix REFERENCE STANDARD SET Alpha MOS software MODEL PREDICTIVE MODE Unknown samples analysis Fingerprint Comparison On line Identification VALIDATION PREDICTION Mikrosensory półprzewodnikowe 3 4 Wykład 1, 2010/11 IDENTIFICATION OF GROUPS QUALITATIVE / QUANTITATIVE 11 ®

Aby zaliczyć przedmiot należy: l l Zaliczyć pozytywnie laboratorium Zaliczyć wykład Ocena końcowa zależy od: q Oceny z raportu q Oceny w przedstawionej prezentacji q Frekwencji na wykładzie Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 12

Definicje: Sensorem nazywamy urządzenie, które reaguje (odpowiada) na fizyczny lub chemiczny czynnik stymulujący (taki jak ciepło, światło, dźwięk, ciśnienie, pole magnetyczne) i przekazuje wynikający z tego oddziaływania sygnał. Sygnał ten może być zmierzony lub użyty do sterowania. Sensor odbiera sygnał wejściowy i zamienia go na sygnał wyjściowy, przetwarza jeden rodzaj energii w drugą. Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 13

Transducer (latin transducere – to lead across, polski przetwornik) urządzenie, które przekazuje energię z jednego układu do drugiego w tej samej lub innej formie wielkość mierzona (koncentracja, aktywność, ciśnienie) Otoczenie Chemically Interactive Layer or Membrane CIM Urządzenie podstawowe ΔT Δi Δm ΔV Δσ Δn Δf ΔΦ wielkość pośrednia Δφ sygnał elektryczny lub optyczny Sposób pomiaru: Δi – amperometryczny, ΔV-potencjometryczny, Wykład 1, 2010/11 Δf Mikrosensory półprzewodnikowe – zmiana częstotliwości (SAW), Δφ – przesunięcie fazowe 14

Sensor chemiczny - schemat Analizowana próbka Sygnał wyjściowy np. napięcie Chemicznie czuła warstwa W przetworniku: np. zmiana pojemności, rezystancji Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 15

Rezystancyjny półprzewodnikowy sensor gazu MOS metal oxide semiconductor Tlenki metali czułe chemicznie: Sn. O 2, Zn. O, Ti. O 2 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 16

Odpowiedź sensora Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 17

Mikrosensory półprzewodnikowe – co to znaczy? l l l Mikrosensory półprzewodnikowe to urządzenia półprzewodnikowe, w których oddziaływania prowadzące do detekcji sygnału zachodzą w materiale półprzewodnikowym. Krzem (Si) jest najważniejszym półprzewodnikiem. Istnieją dwa rodzaje mikrosensorów : w półprzewodniku i na półprzewodniku Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 18

Mikrosensor ma przynajmniej jeden wymiar fizyczny na poziomie submilimetrowym Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 19

Technologia mikrosensorów jest typowa dla IC (CMOS) i technologia mikromechaniczna (MST, MEMS) l Clean room Mikrosensory półprzewodnikowe Płytka Si z sensorami Wykład 1, 2010/11 20

Historia mikroelektroniki 1948 – pierwszy tranzystor 1958 – pierwszy obwód scalony IC Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 21

Prawo Moore’a Podwojenie liczby tranzystorów na IC co 18 miesięcy Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 22

Rewolucja informacyjna „If this current rate of progress is maintained it would be possible to buy for € 1000 a memory chip that has the same capacity as a human brain by 2030 and a memory chip that has the same brain capacity as everyone in the whole world combined by 2075” Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 23

Dzisiaj… Micro-optics (Optoelectronics) Nanotechnology Microsensors Micromachines MEMS Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 Biotechnology 24

Ti. O 2 nanorurki jako sensory gazu Hydrogen sensing using titania nanotubes Oomman K. Varghese, Dawei Gong, Maggie Paulose, Keat G. Ong, Craig A. Grimes* The Pennsylvania State University, Sensors and Actuators B 93 (2003) 338– 344 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 25

Rodzaje sensorów – rodzaje sygnałów elektryczny magnetyczny mechaniczny sensor optyczny termiczny chemiczny promieniowania Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 26

Klasyfikacja wg White’a R. M. White, A sensor classification scheme, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. , UFFC-34, 124 (1987) Wielkość mierzona • • Akustyczna (amplituda fali, faza, polaryzacja, widmo, prędkość) Biologiczna (biomasa: elementy, koncentracje, stany) Chemiczna (związki: elementy, koncentracje, stany) Elektryczna (ładunek, natężenie prądu, potencjał, napięcie, pole elektryczne, przewodnictwo, przenikalność) Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 27

• • • Magnetyczna (pole magnetyczne: jego amplituda, faza, polaryzacja, strumień magnetyczny, przenikalność magn. ) Mechaniczna (położenie: liniowe lub kątowe, prędkość, przyspieszenie, siła, naprężenie, ciśnienie, odkształcenie, masa, gęstość, moment siły, przepływ, szybkość transportu masy, nierówności powierzchni, orientacja, sztywność, lepkość) Optyczna (amplituda fali, faza, polaryzacja, widmo, prędkość) Radiacyjna (rodzaj, energia, natężenie) Termiczna (temperatura, strumień ciepła, ciepło właściwe, przewodnictwo termiczne) Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 28

Rynek sensorów w UK Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 29

Literatura l l l S. M. Sze, Semiconductor Sensors, John Wiley & Sons, Inc. , 1994 J. W. Gardner, V. K. Varadan, O. O. Awadelkarim, Microsensors, MEMS and Smart Devices, John Wiley & Sons, LTD, 2001 W. Göpel, J. Hesse, J. N. Zemel, Sensors – A Comprehensive Survey, VCH Verlagsgesellschaft mb. H, 1989 M. Gad-el-Hak, MEMS-Applications, CRC, Taylor&Francis, 2006 Y. B. Gianchandano, O. Tabata, H. Zappe, Comprehensive Microsystems, Elsevier, 2008 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 30