LIUC - Castellanza Marzo Concetti Generali. Sensori e Trasduttori

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1 Concetti Generali Sensori e Trasduttori Con riferimento a un sistema elettrico/elettronico avente ingresso/i e uscita/e in domini non necessariamente elettrici: Trasduttore di ingresso, sensore: dispositivo che converte una grandezza da misurare in una grandezza elettrica Trasduttore di uscita, attuatore: dispositivo che converte una grandezza elettrica di comando in una grandezza di uscita Sensori attivi, o autogeneranti: generano un segnale senza bisogno di alimentazione (piezoelettrici, termocoppie, ) Sensori passivi, o modulanti: generano un segnale modulando una sorgente di alimentazione (potenziometri, termoresistenze, ) Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 1

2 Caratterizzazione Metrologica e Funzionale di Sensori Ha l obiettivo di fornire all utente indicazioni chiare ed esaurienti riguardo: le prestazioni del dispositivo nelle condizioni di uso previste le prescrizioni per ottenere le prestazioni indicate In particolare, viene specificato il legame input/output, ossia la corrispondenza tra letture e misure ingresso x MISURE sensore uscita y LETTURE Regime statico: x e y sono assunte costanti o lentamente variabili Regime dinamico: x e y sono funzioni del tempo x(t) e y(t) Prestazioni in Regime Statico Dominio Non Elettrico Per es: temperatura ingresso x sensore Dominio Elettrico Per es: tensione uscita y y =τ(x) La funzione y=τ(x) che esprime il legame input/output in regime statico si dice funzione di conversione o di trasduzione del sensore Nel caso in cui si considerino x(t) e y(t) funzioni del tempo, ossia in regime dinamico, il concetto di funzione di conversione è inadeguato e va esteso Più in generale, in regime statico vale: ( x i, i,..., i t), 1 2 y = F N, i k grandezze di influenza (non sono il misurando ma alterano il risultato della misurazione) t tempo, se F dipende da t il sensore è un blocco tempo-variante Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 2

3 Prestazioni in Regime Statico y ymax 100% ymin % INGRESSO xmin xmax x Campo di variabilità del misurando, o campo di misura (input range): intervallo da x min a x max Portata, o valore di fondo scala dell'ingresso (full-scale input): valore x max Escursione dell'ingresso (input span): x max - x min USCITA Campo di variabilità dell uscita, o campo di misura (output range): intervallo da y min a y max Valore di fondo scala dell uscita (full-scale output): valore y max Escursione dell uscita (output span): y max - y min Prestazioni in Regime Statico Sensibilità y ymax 100% y min 0 0 x min S( x ) 1 x 1 S( x ) S( x ) 2 > S( x ) % x max Tangente della funzione di conversione in ogni punto: dy( x) S( x) = dx Se y=τ(x) è lineare la sensibilià è una costante che prende il nome di costante di conversione o costante di taratura x 2 x Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 3

4 Prestazioni in Regime Statico Linearità Grado di conformità della curva y=τ(x) reale rispetto a una retta assunta come retta di riferimento (r.d.r.) Errore di linearità: massimo scostamento di y dalla r.d.r. y ymax 100% y min xmin % xmax Retta teorica (1): quella che passa per [x min, y min ] e [x max, y max ] Retta agli estremi (end point) (2): quella che passa per [x min, τ(y min )] e [x max, τ(y max )] Retta ai minimi quadrati (3): quella che minimizza la somma x dei quadrati degli scarti δ 2 k k L errore di linearità dipende dalla retta scelta come riferimento Prestazioni in Regime Statico Isteresi Attitudine a fornire valori di uscita differenti per il medesimo ingresso, quando questo venga fatto variare per valori crescenti e decrescenti Valore di isteresi: massimo scostamento di y per il medesimo ingresso, quando questo viene fatto variare per valori crescenti e decrescenti y y max 100% y min % x min x max x Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 4

5 Prestazioni in Regime Statico Risoluzione Attitudine del sensore a discriminare piccole variazioni del misurando Valore (o soglia) di risoluzione: minima variazione del misurando che si traduce in una variazione rilevabile dell'uscita y La risoluzione può essere limitata da: un comportamento intrinsecamente quantizzato (a scalinata ) interno al sensore fluttuazioni casuali sull uscita, dette rumore, che sfuocano il segnale e ne pregiudicano la discriminabilità fine y t x Prestazioni in Regime Dinamico Risposta al Gradino x Si suppone di applicare un ingresso x(t) del tipo e di esaminare la corrispondente uscita y(t) t In alternativa, il comportamento dinamico del sensore può essere rappresentato mediante la funzione di risposta in frequenza H(ω) Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 5

6 Metodi a Deflessione e di Zero Metodo a deflessione: Il sensore (o lo strumento di misura) produce una risposta che consiste in una deviazione dalla condizione di equilibrio a misurando nullo La deviazione è tipicamente proporzionale al misurando Metodo di zero: Il sensore (o lo strumento di misura) produce un azione che si oppone a quella del misurando, mantenendo una condizione di costante bilanciamento La risposta è data dall azione necessaria ad annullare l azione del misurando Il metodo di zero è tipicamente più accurato di quello a deflessione, ma più lento Alcuni Principi di Trasduzione Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 6

7 Effetto Piezoresistivo Conduttore fatto di materiale con resistività ρ, lunghezza L e sezione A Lunghezza L Lunghezza L+ L Raggio r Area A corrente I Forza di trazione F Con trazione applicata nulla: L R = ρ A Con trazione applicata non nulla: R R ρ = ρ Raggio r - r L A + L A corrente I Effetto Piezoresistivo Con trazione applicata non nulla: R R ρ = ρ L A + L A Contributo dominante nei materiali semiconduttori (per es. Silicio) Contributo dominante nei materiali metallici La variazione di resistenza risulta proporzionale all allungamento relativo, o deformazione, (strain) L/L: R ρ L A L = + =... = K R ρ L A L Il coefficiente di proporzionalità K si chiama gage factor Per i metalli: K 2; Per i semiconduttori: K Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 7

8 Effetto Termoresistivo La resistenza di un conduttore dipende dalla temperatura Per conduttori di tipo metallico, in un intervallo di temperatura sufficientemente limitato, la dipendenza può essere espressa da: R 0 [ + α ( T )] R = R 1 T 0 0 indica il valore della resistenza alla temperatura di riferimento T 0 α dipende dal materiale e si dice coefficiente di variazione termica della resistenza (temperature coefficient of resistance, TCR) Dalla misura di R si può risalire alla temperatura T (resistance temperature detector, RTD) Effetto Termoresistivo Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 8

9 Effetto Termoresistivo Per materiali a base di ossidi semiconduttori, le variazioni sono più accentuate e la dipendenza è di tipo esponenziale: R = R [ β( 1 T T )] 0 exp 1 0 β dipende dal materiale e dalla temperatura di riferimento T 0 Un componente con comportamento di questo tipo è chiamato termistore (thermistor) Anche per un termistore, dalla misura di R si può risalire alla temperatura T Effetto Termoelettrico Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Due giunzioni tra fili di metalli diversi A e B poste a temperature differenti generano una tensione V proporzionale alla differenza di temperatura T: V = a A B T a A B coefficiente di sensibilità, o di Seebeck, della coppia M1 e M2 Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 9

10 Effetto Termoelettrico Tratto da Sensors and Signal Conditioning R. Pallas Areny, J.G. Webster, John Wiley and Sons Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Effetto Capacitivo La capacità tra due conduttori di un condensatore varia in risposta a almeno una delle seguenti cause: variazioni dalla geometria variazioni della costante dielettrica del mezzo interposto Esempio: condensatore ideale a facce piane e parallele Area A C = ε 0 ε r A d d ε r Entrambe le succitate alternative possono essere impiegate per la realizzazione di sensori Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 10

11 Effetto Capacitivo Tratto da Sensors and Signal Conditioning R. Pallas Areny, J.G. Webster, John Wiley and Sons Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Effetto Induttivo L induttanza L di un avvolgimento con un traferro dipende dalla geometria dell avvolgimento e dalla permeabilità magnetica del materiale del traferro 2 L = µµ 0 n A l X Esempio: variando la porzione x di traferro all interrno dell avvolgimento varia l induttanza L Dalla misura di L si può risalire al valore di x Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 11

12 Effetto di Mutua Induttanza L induttanza mutua, o di accoppiamento, tra un avvolgimento primario e un secondario dipende dalla posizione di un nucleo di materiale ferromagnetico + V ecc ~ X V - Linear Variable Differential Transformer (LVDT) Il sistema funziona come un trasformatore con grado di accoppiamento determinato da x Effetto di Induzione Magnetica In una spira conduttrice che interseca un campo magnetico B si induce una differenza di potenziale V o proporzionale alla variazione nel tempo del flusso del campo magnetico Φ B attraverso la spira (Legge di Faraday-Lenz) V O dφ = dt B Esempio: se nello schema si immagina che il magnete venga mosso con velocità v, ai capi dell avvolgimento si produce per induzione una tensione V o proporzionale a v v N + - V o S V O = K v Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 12

13 Effetto Hall In un conduttore o semiconduttore percorso da una corrente e immerso in un campo magnetico B, le cariche che si muovono con velocità v sono suggette a una forza F perpendicolare a v e B, data da: F = qvb La forza F produce una tensione V H dalla cui misura, nota la corrente imposta, si risale al valore del campo magnetico B Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Effetto Hall Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Riprodotto a esclusivo scopo didattico. V H = HIBsenα H: coefficiente di Hall che dipende da tipo e geometria del materiale Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 13

14 Effetto Piezoelettrico Scoperto nel dai fratelli Curie Proprietà di alcuni materiali isolanti in cui: una sollecitazione meccanica impressa induce una carica elettrica (effetto diretto) un campo elettrico applicato produce una deformazione meccanica (effetto inverso) Effetto diretto: rilevazione Effetto inverso: generazione Applicazioni della Piezoelettricità Generazione e rilevazione di onde sonore e ultrasonore: Sensori e trasduttori Filtri e risonatori Conversione Elettromeccanica-Meccanoelettrica: Attuatori Trasformatori Accendini (Gas igniters) Motori e utensili di lavorazione Nebulizzatori e umidificatori Piezofilm (PVDF) Quartz Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 14

15 Effetto Piroelettrico Nominato nel 1824 da Brewster, ma noto da prima Proprietà di certi materiali isolanti dotati di una polarizzazione elettrica spontanea che è funzione della temperatura L asse di polarizzazione si chiama asse polare Temperatura La polarizzazione statica è neutralizzata dalle perdite nel materiale, pertanto possono essere rilevate solo variazioni nel tempo della temperatura Applicazioni della Piroelettricità Rivelatori di radiazione basati su principio termico: ampia risposta spettrale, alta velocità, senza raffreddamento necessità di rendere la radiazione tempo-variante (chopping) I sensori piroelettrici sono usati in: Rilevazione di presenza, antifurto Misure di temperatura Telecamere a infrarosso (IR) Analizzatori di gas Misuratori di potenza di laser Fuji & Co. Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 15

16 Effetto Fotoresistivo La resistenza di un resistore di materiale opportuno varia al variare dell intensità della radiazione luminosa incidente Il resistore sensibile alla luce vience chiamato fotoresitore Materiale largamente usato nei fotoresistori è il Solfuro di Cadmio (CdS) I fotoresistori vengono spesso definiti fotocellule luce fotoresitore Effetti Fotovoltaico e Foconduttivo Un diodo a giunzione PN illuminato cambia la sua caratteristica tensione corrente I-V Dalla misura della tensione o della corrente del fotodiodo si risale all intensità della radiazione incidente Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 16

17 Cenni alle Tecnologie di Fabbricazione Le Tecnologie per i Sensori Tecnologie elettromeccaniche tradizionali con lavorazione di precisione Tecnologie a film spesso e film sottile (thick film, thin film) Tecnologie di microlavorazione del silicio (silicon micromachining) per la realizzazione di MEMS (MicroElectroMechanical Systems)... Nanotecnologie: per il momento ancora limitate ad ambiti di ricerca Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 17

18 Thick-Film Technology (TFT) Historically, TFT started in microelectronics for hybrid circuits Key factors for ongoing success in such fields as the automotive, military, and telecommunications: operation in harsh environments reliability integration and miniaturization low design cost and capital investment Thick-Film Technology Processes Starting from properly formulated pastes (or inks) deposition on insulated substrates of layers having different electric and functional properties by means of: screen printing drying firing at high temperature Processes are carried out in air or sometimes in controlled atmosphere not in a vacuum How thick the films are? In the range from microns to several hundreds microns 100µ m Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 18

19 Screen-Printing Process Transfer of the paste onto the substrate by extrusion through a patterned screen mesh printed film squeegee screen ink substrate Openings per linear inch Screen-Printing Process Screen-printing machine Screen mesh Resolution: 100 µm for line width and gap better figures obtainable with photoimaging and etching M. Tredinnick, et al., Heraeus Inc., Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 19

20 Firing Process The substrate (ceramic or metallic) is put in a belt furnace The organic components are burned out, the film ancors to the substrate and the functional properties develop Important factors: Temperature profile Firing atmosphere air, or controlled TFT for Sensors TFT for sensor manufacturing offers: high flexibility low cost at small production volumes (<10 4 /yr) integration with electronics in hybrid systems miniaturization at the mesoscale level Physical sensors: Chemical and biochemical sensors: Figaro Engineering Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 20

21 Tecnologia MEMS in Silicio MEMS (MicroElectroMechanical Systems): dispositivi di dimensioni micrometriche fabbricati a lotti, secondo le tecniche di lavorazione del silicio tipiche della microelettronica sviluppate per la realizzazione dei circuiti integrati (IC), in grado di svolgere funzioni di: Sensori Attuatori Elaborazione elettronica dei segnali Esempi di MEMS Microattuatori Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 21

22 Esempi di MEMS Microattuatori Microdispositivi/ micromacchine Esempi di MEMS Microattuatori Microdispositivi/ micromacchine Microsensori Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 22

23 Esempi di MEMS Microattuatori Microdispositivi/ micromacchine Microsensori Microsistemi con funzionalità complesse Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 23