SILICIJEVI SENZORJI TLAKA
Marko Pavlin. Hipot-Hybrid d.O o., Trubarjeva 7, 68310 Šentjernej
Silicon Pressure Sensors ABSTRACT
General (etm$ aoout sensois are preseried Sibccr piessute &ensorc discusssd Two kinds &)iico"	sense's čve	3
ple20leslst^^ and a capdcii<ve Proc@&sir^g c^ a fi^m Oiap^rsgm discussed theelectfical c^actensiic otboih lypes ol ihe seniors ara ptesenfad The typt&el silicon piessixe senses are chosvn al the end There a<e also a Hipoi-i-^bitd evems mircouced
POVZETEK
V öaf^ki) $0 «laiP'ej op»sani senrot|i na splošr>o, 5 kratkim p^egledcm niiTiovift oaf^n^BUt»- Sieö«Of>i$silici|evihsen2ot|evtiai<a2znacilno5lmi kl Jih inv^a piezoutcrnosini in kaoddtivr^i seiVd tiai<a Predstavitvi irdefave lanke membrare v sritcijevem subsJroiu, ki le kliučni sestavoi Oei sle:N cpis eie^iricn»! ü8if>osli za ptercupomootn» kapacnwrn senio« tlaka Obe vt$Ii senrcjev je moc kupiii verbat v spkosneri p^eviaduia oiezouocnos^ni setvcx Maka Tcitr« cedstavniki 50 navMeri na koncu clar*a, k^a^ tixli krai^k opis deidvnosti podjetja Hipot-Hytfiddoo i2Šaniiernaia
1 UVOD
Svet okrog rias zaznavamo po različnih fiztkalno-kenuj-skih pojavih, ki jih spremljajo spremembe nekaterih
količin, kol npr. /1/.
-	toplotne: temperatura, toplota, pretok toplote
-	mehanske: sila. tlak. hitrost, pospešek in položaj
•• kemijske: sesidva in koncentracija materialov, hitrost reakcije
•	magnetne: jakost polja, gostota magnetnega pre> toka, magnetizacija
-	sevalne: valovna dolžina elektromagnetnega valovanja (EMV). intenziteta, polarizacija in faza EMV
-	električne: tok, napetost, naboj.
Vse te fizikalne veličine pa lahko z ustreznimi senzorji spremenimo v električne signale. Princip, na katerem temelji pretvorba, je odvisna od pretvarjane veličine.
1.1 Parametri sploSn&ga senzorja
He glede na to, kateri senzor opazujemo, ima vsak neke definirane parametre. Ti se aplicirajo v fizikalni veličini, ki je specifična. Tako je npr izhodni signal pjezouporovnega senzorja tlaka napetost ali tok, vhodna veličina pa tlak
Lastnosti senzorja so opisane z njegovimi parametri. Prikazana specifikacija lastnosti velja za vsak senzor.
•	ABSOLUTNA OeČUTUIVOST je razmerje med spremembo izhodnega signala In spremembo vhodne veličine.
•	RELATIVNA OBČUTLJIVOST janormlranaabsolutna občutljivost 2 velikostjo izhodr^ga signala pri ničelni vrednosti vhodne veličine.
•	KRIZNA OBČUTLJIVOST je sprememba izhodnega Signala pri spremembi več vhodnih veličin (tlak. tem* peratura}.
•	RESOLUCIJA je najmanjša, še zaznavna sprememba merjene veličine, ki še povzroči spremembo izhodnega signala.
•	TOČNOST je razmerje med največjo napako m polnim razponom izhodnega signala.
. NAPAKA LINEARNOSTI je največie odstopanje linearizacijske krivulje od idealne linearne karakteristike senzoria.
•	HISTEREZA je sposobnost senzorja, da generira isti izhodni signal pri isti vrednosti vhodne veličine, ne glede na smer njene spremembe.
•	NIČELNA VREDNOST izhodnega signala je nfegovo vrednost pn ničelni vhodni veličini
•	ŠUM je naključna vrednost izhodnega signala, neodvisna od velikosti merjene veličine.
•	ZGORNJA FREKVENČNA MEJA senzorja je frekvenca vhodne veličine, pri kateri pade iztiodni signal na določeno vrednost v primerjavi z začetno (70.7%. 99,9%).
•	DINAMIKA senzorja je razlika med največjo in najmanjšo vrednostjo merjene veličine.
•	TEMPERATURNO PODROČJE DELOVANJA sezorja je območje temperatur, pn katerih senzor obdrži svoje lastnosti in deluje znotraj deklariranih tolerančnih meja.
1.2 Uvod v senzorje tlaka
Iz celotne množice raznih senzorjev si bomo ogledali senzorje tlaka, izdelane na silicijevi podlagi. Poznamo dve vrsti silicijevih senzorjev tlaka. Eni temeljijo na piezoupornostnem pojavu rn jih imenujemo piezouporovni tlačni senzorji. Ta vrsta je najbolj razširjena, zato si bomo najprej ogledali njihovo izdelavo, v nada Ijevanju pa še lastnosti in fizikalno-električne zakonitosti. Na povsem drugem principu temeljijo kapacitivni senzorji, ki so v bistvu miniaturni kondenzatorji, ki se jim spreminja kapacitivnost zaradi spremebe geo metrije.
2 PIEZOUPOROVNI SENZOR TLAKA
Najprej si ogfejmo, kako naredimo piezouporovni senzor tlaka. Osnovna ideja je v izdelavi tanke membrane v podlagi iz silicija. Ta membrana se pod vplivom tlaka upogne. Zaradi upogiba nastanejo v membrani mehanske sile. ki vplivajo na lastnosti silicija.
Ker je celoten postopek izdelave precej zapleten, si oglejmo ključni korak, to je izdelavo membrane s selektivnim jedkanjem silicija
2.1 Izdelava senzorja
Selektivno jedkanje membrane spada v skupino mi-kromehanskih obdelav podlage. Poleg teh poznamo tudi postopke površinske mikromehamke Vsi ti so del mehanotronike. kije na velikem pohodu v zadnjih letih. Osnova mikromehanike podlage je kos silicija To je material, ki ima odlične mehanske lastnosti. Zbrane so viabeh 1 /1/.
Tabela 1 • Mehanske lastnosti silicija
Kiisialna sltuktura	diamantna, 8 atomov/celico
TaJišče Toplotna prevodrkost	1415®C 148.8 VVmV
Temperaturni koe» raztezka 2.9 do 7A 10'® -1	
Speoftčna gostota	2,3 g cm ^
Youngovmodulelasiičnosli • 1.910^^ Pa
' 6.9 10^ Pa
Maksimalna mehanska napelosi
Trdota po Knoop-u
850 m'
Youngov modul elastičnosti silicija ;e primerljiv vrednosti za jeklo. Specifičr^a gostota Si je primerljiva z alüininljevo. Deformacije so idealno elastične, brez znamenj plastičnosti (kot zanimivost: tanek listič silicija primerne dolžine lahko zvijemo v krog. pa s^ kljut^ temu vrne v prvotno obliko). Zaradi takih lastnosti silicij ne izkazuje mehanske histereze. Njegova trdota je večja kol pri že I ezu.volf ram u ali aluminiju Temperaturna prevodnost je enaka polovici temperaturne prevodnosti jekla, temperaturni koeficient raztezka pa je ena petina raztezka jekla.
Iz tega je razvidno, da je silicij dober material za mehanske senzorje, torej tudi za senzorje tlaka. S polpre-vodniško tehnologijo jih lahko izdelamo zelo kvalitetno za območje tlakov od 1 mt^ar do nekaj 100 bar. za
merjenje vakuuma pod i mbar pa niso primerni.
2.1.1 Mokro anlzotropno jedkanje
Poznamojedkanje silicija, pri katerem je smer in hitrost jedkanja odvisna od kristalne strukture. Tehnika je bila uporabljena ob koncu 60. let m v začetku 70. izpopolnjena je bila šale v začetku osemdesetih.
Za anlzotropno jedkanje se uporablja veliko jedkal raztopina hidrazm-voda, EDP (etildiamin pirokatehoU voda), KOH (kalijev hidroksid voda), TMAH (tetra-meti) amonijev hidroksid) in CsOH (cezijev hidroksid). Najpogosteje se uporablja KOH.
Tabela 2 • Oblike lukenj, ki nastanejo pri anizotropnem jedkanju
oblika odprtine		oriantaciia povtime	nastala struktura (oblika luknie)
1	kvadrat	<1C0>	piramida
2	pravokoinik	<1C0>	pravokotna piramida, kanal
3	krog	<ioa>	pitomida
4	kvadrat, p<avokoinik	<110>	prizma (luknja Z navpičnimi sienami)
Glavna lastnost anizotropnega jedkanja je. da je smer in hitrost jedkanja och/isna od kristalografske orientacije
Jedkanje poteka najpočasneje v ravnim < 111 >, ker ^e hitrost odvisna od "površinske" koncentracjje atomov v izbrani ravnini. Oblika trodimenzionalne strukture, ki nastane v siliciju pri določeni geometriji maske, je odvisna od kristalografske orientacije površine rezine (tabela 2).
Za senzor tlaka sta zanimiva primera 1 m 3.
2.1.2	Selektivnost jedkal
Anizotropna jedkala so močno selektivna za različne materiale. To nam koristi predvsem pri maskiranju silicija Površine, ki jih želimo obdržati nespremenjene, moramo zaščititi s takim materialom, ki ga jedkalo ne jedka Fotoeniuizijd ni primerna zaradi dolgotrajnega jedkanja, med katerim bi lahko prišlo do odluščenja emulzije. Maskirni material je lahko SIO?, silicijev nitnd, Cr, Au, AI,...
SJabost anizotropnega jedkala KOH je. da jedka SiO? hitreje kot katerokoli drugo anizotropno jedkalo Pn cezijevem hidroksidu je razmerie hitrosti jedkanja Si v ravnini <110> in SiOg v isti ravnini približno 5500, medtem ko je isto razmerje pri KOH "le" okrog 300
2.1.3	Zaustavitveno jedkanje
Najvažnejši parameter anizotropnega jedkanja je čas. Na srečo ni edini, saj je hitrost Jedkanja odvisna tudi od koncentracije primesi in še od česa. Pri formaciji tanke Silicijeve membrane z anizotropnim jedkanjem je zelo pomembno, da ponovljivo m točno ujamemo njeno debelino Od debeline membrane so odvisne lastnosti senzorja tlaka Pri tem je pomembno, da pravi čas ustavimo jedkanje (prenehamo jedkanje). Ta način ni najbolj ugoden, zato si pomagamo s pojavom, da je hitrost jedkanja odvisna od koncentracije primesi v dopiranem siliciju Iz diagrama je razvidno, da je kritična koncentracija bora nekje pri 2,5 lO^^cm'^. Do te vrednosti je hitrost jedkanje praktično neodvisno od koncentracije, potem pa strmo pade.
g 10 >
"i? ž -

. . 1 ju' ' . h'ondiaftun 160q Dy'occiaooi by pyra/kfi : <«f'»l vc-1d T } A<r
10 10*^ Konc6nirac(ja bcrd
SI. 1 Hitrost ledkanja v odwsnosf/ od Horiceof^ciie pnmesi bors
Hitrost jedkanja je obratno sorazmerna četrti potenci koncentracije. Zaradi tega lahko hitro ustavimo jedkanje, Na sliki 2 je zgled zaustavitvenega jedkanja.
Si
p+ difuzija m -►
oksidacija
	
	
p*	
	
I
foJolitografija
anizotropno jedkanje
SiO
SI 2 Proces nastanka membrane pri zavstawtvenem postopku
Pri izdelavi membran natančno kontroliranih debelin uporabljamo elektrokemijske postopke, pri katerih združimo anizotropno ledkanje 2 elekirokemijsko zaustavitvijo.
Na sliki 3 presek senzorja tlaka, ki ga dobimo z omenjenim postopkom.
ima tlačni priključek. Imeti mora vsaj eno luknjo (za absolutne senzorje) in nastavek za priključitev cevi oz. dovoda tlaka Celotno ohišje mora biti mehansko dovolj trdno, da se sile ne prenašajo na senzor.
Zapiranje v ohišje ima dve stopnji. Prva je na nivoju podlaga (slika4).
P-*-
P+
membrana

SiO.
SI 3. Presek strukture senzorß tlakä, h ga dobimo z zaustavitvenim postopkom
Za jedkanje se uporablja 50*50% raztopina hidrazina m vode pri temperaturi 90°C. S tem postopkom lahko izdelamo membrane debeline 20 |jm±2 ^m.
Možna razlaga zaustavitve jedkanja je rast anodnega oksida na n-tipu epitaksijske plasti. Ta prekine jad-kanje, ko izgine vsa p plast.
Poleg omenjenih postopkov obstaja še vrsta drugih. Vsi imajo za cilj ustvanti tanko membrano kontrolirane debeline, ki je osnova vsakega tlačnega senzorja.
zapiranje senzorjev v ohidie
Preden si ogledamo konkretne primere senzorjev še nekaj besed o njthovem zapiranju v ohišja.Ta se razlikuje od klasičnih za integrirana vezja po tem, da
mecaiizacija pasivaciia 2 SiO difund upor

SI podleige^/	rnemDrana	\
		
pooiaga		iuknja pri
		diferenc
		senzorjih
SI 4 Presek ser>zcy/a
Osnovni postopek na tem nivoju je varjenje dveh SI podlag. Na enem so senzorji, na drugem pa luknje za senzorje relativnega tlaka alf polna podlaga za absolutne senzorje. V drugem primeru nastanejo problemi, ker se mora postopek spajanja odvijati v vakuumu Podlago potem razžagamo In razlomimo na posamezne senzorje. Stem so pripravljeni zadrugo stopnjo zapiranja.
Na tržišču lahko dobimo senzorje, ki imajo strukturo "sendviča" V tej obliki jih izdeluje predvsem Motorola Senzor relativnega tlaka je lahko tudi brez opisane
podlage, vendar sc to ponavadi ceneni senzorji, ki S9 uporabljajo v nezahtevnih aplikacijah.
Druga stopnja zapiranja je lepljenje golih senzorjev na neko podlago, ponavadi na keramiko AiaOo. ki je oDenem tudi podlaga hibrldr\ega vezjd za kompen» zacijo in obdelavo izhodnega signala Poleg lepljenja )e potrebno še bondiranje za električno priključitev senzorja. Le-ta je lahko zaščiten z gelom, ki Je zelo elastrčen material, obenem pa ga zadrti pred okoljem. Težava z gelom je tudi. da je odporen le za nekaj vrst medijev, predvsem plinov. Za bolj robustna okdja, na primer avtomobilsko industrijo ali agresivne tekoče medije, je potrebno senzor bolj zaščititi. Taki senzorji so zaprti v kovinskem ohišju z jekleno membrano, kije zavarjena po posebnem postopku. Med membrano in senzorjem je silikonsko olje, ki prenaša silo tlaka z membrane na senzor.
2.3 Modeliranje in simulacija piezouporovnega senzorja tlaka
Presek izdelanega PR senzorja je na sliki 5. V tanki membrani so di^undirani štirje upon. Zaradi sile tlaka se membrana up(>gne. Upogib povzroči nastanek mehanskih sil. ki vplivajo na upornost senzorskih uporov. Upori so vezani v Wheatstonov mostič Dvema uporo» ma se upornost poveča, dvema pa zmanjša glede na upornosti, ki jih imajo v neobremenjenem stanju. Zaradi tega je odziv največji.
Membrana se nahaja v kartezijevem koordinatnem sistemu v ravnini x-y. Razmerje med upogibnimi momenti in upogibom (w) podajajo enačbe 2 öo 4.
My =-
D,

bV
Ox'
D,
ay'
My
D
^^IV ^ rVvV


a V
(2J
(3)
(4)
Upogibne trdnosti D so funkcije kraja (x,y).



D.-.

(53
(6)
^^ membrana ^^		
		
odprtina
SiO.
O.-
Ex^xyh'
12,1 V^yVyyJ
(7)
u,.
OxY =

12
(S)
R*AR R-AR
SI.S Piezouporovni senzor slaka
Najprej si oglejmo mehaniko tanke membrane. Iz izračunanih upogibov določimo mehanske napetostim končno spremembe upornosti. Sprememba izhodne napetosti je proporcionalna spremembi upornosti, ta pa linearno sledi spremembam tlaka.
2.3.1 Mehanika tanke membrane
Senzor tlaka je sestavljen iz tanke membrane, v kateri so ditundirani upori. Membrana se pod vplivom tlaka p upogne. Sile, ki delujejo nanjo so odvisne od razlike tlakov pod in nad njo. Upogib membrane je majhen v primerjavi z njeno debelino (h). 2 enačbo 1 opišemo mehansko ravnovesje med tiakom in upogibnim mo»
meniom /2,8/,

-2
h''M
xy


= -p
(1)
fx in £y sta Youngova modula v smereh x ir\y Gxv je strižni modul. Poisonovi števili Vxi m Vyx podajata razmerje med raztezkom veni smeri in skrčkom vdrugi, ki je poslsdioa raztezka. Enačbe 2, 3 Fn 4 vstavimo v enačbo 1 in dobimo sistem parcialnih diferencialnih enačb, ki ima obliko

w = p
(9)
Lc. in L2 so lir^arni operatorji nad upogibom w. ki je posledica tlaka p.
Izračun upogiba m enostaven. Največkrat se uporabljajo numerične metode. Obstaja tudi nekaj programov za izračun
Za izračun odziva kapadtivnega senzorja je dovolj, da določimo upogib. Iz znanega upogiba z enostavno metodo integracije določimo kapaoitivnost oz. njene spremembe zaradi spremembe razdalje med ploščama kondenzatorja.
Pri piezouporovnem senzorju, kjer deluje piezoupor-nosmt pojav, moramo določiti še mehanske napetosti v membrani.
a —

Cv




dV

£.v

XY


w
dxiiy
(10)
(11)
(12)
Predpostavili smo, da sta pri sil^iju Poisonovi števili enaki. Sistem parcialnih diferencialnih enačb je analitično rešljiv le pri določenih pogojih (enakomerna debelina membrane, pravilna geometrija,,.), vendar to ni slika dejanskega senzorja. Pri računanju mehanskih napetosti v resničnem senzorju uporabljamo nu-mer^čne metode. Z metodo končnih elementov ali končnih diferenc določimo upogiO in mehanske napetosti v membrani. Na sliki 6 so prikazani upogib) in mehanske napetosti v enakomerno debeli membrani dsbeline 25 s stranico dolžine 800 um /3A
-2 5009«07
vpogib (ml
O OOOt» 00
Suka 6 izračunarti upogibi membrane v e^idistd'^C'^)^ točkah mieže na kvadratni $il>oievi membrani širirte 790in debeline 25^rripn tlaku iC^Pa
■ 20QO«te/ >-1 000«*07 ^ 0O0e*(X> 1 O00«*07 • -2 OOOs-O? ' O 0COe*07
X ti D tfi me ril a
fnelMnt*« nap«toe'i
Slika 7 lzraCur?ana * komponenta mehanske napetosu v ekvidistančnih točkah mreže na kvadratni siHci-fevi membrani širine 790 ^m in debeline 25 \ur) pfiilak{j 70 Pa
2.3.2 Električne zakonitosti
Mehaniko membrane smo spoznali v prejšnjem razdelku. Iz znanih upogibov smo določili mehanske sile v membrani. Te vplivajo na spremembo upornosti di-fundiranih uporov v njej. Pojav spremembe upornosti zaradi mehanskih sii opisuje plezoupomostni pojav
Piezoupornostni pojav je fizikalni pojav, pri katerem se zaradi deformacije v materialu spremeni njegova specifična upornost /7,fl/.
Vn*tipu silicija so večinski nosilci prosti elektroni. Ležijo v treh enakih skupinah, ki so razporejene v treh kristalo grafskih smereh <100>, <010>in <001 >. Mobilnost elektronov v eni skupini je najmanjša v smeri, kateri skupina pripada, najmanjša pa pravokotno nanjo. Povprečna mobilnost vs«h prostih elektronov v vseh treh skupinah je Izotropna, Pri obremenitvi silicija z mehan sko silo se elektroni prerazporedijo glede na smer sile,
V	primeru, ko Sila deluje npr. v smeri <100>, se bo mobfinost povečala v smeri <100>, v smereh <010> in <001 >. ki sta pravokotni, pa se bo zmanjšala. Na simetrah < 111 > je učinek najmanjši.
V	p-tipu silicija je prevodnost odvisna od povprečne mobilnosti vrzeli. V silidju, na katerega deluje sila, se spremenijo energijski maksimumi posameznih vrzeli. Skupno število vrzeli ostane nespremenjeno, spremeni pa se porazdelitev efektivnih mas. Zaradi tega se spremeni specifična upornost.
Sprememba specifične upornosti silicija zaradi piezou* pornostnega pojava je podana s tenzorjem piezoupor-nostnih koeficientov.
Ap, »Pc^^rr

(13)
/ '
V enačbi 13 predstavlja xi vektor deformacij, fiij pa tenzor piezoupornostnih koeficientov.
2,3.3 Procesni parametri
Izračun odziva piezouporovnega senzorja tlaka temelji na idealnem senzorju, ki v praksi ni izvedljiv. Zaradi tega moramo upoštevati še neke faktorje, ki vpirvajona odziv in nastanejo zaradi napak v postopku izdelave, kot tudi zaradi naključnih, neobvladljivih vplivov, ki vnašajo odstopanje od pričakovanih lastnosti senzorja.
Pri izračunu odziva p i ezou pornostnega senzorja z opisanimi postopki smo predpostavili, da so upori koncentriram v eni točki na robu membrane, V resnici ima upor neke končne dimenzije, ki so izbrane kot kompromis med zahtevami In sposobnostmi tehnologije. Reproduktivnost narašča z velikostjo uporov. Po drugi Strani pa narašča tlačna občutljivost z manjšanjem uporov.
Drug parameter je debelina membrane Zaradi njene neenakomemosti dobimo različne upore, na katere tlak različno vpliva. Poveča se ničelna napetost in nelinear-nost senzorja. Poleg debeline je pomemben tudi položaj membrane glede na upore. Membrano jedkamo z zadnje strani podlage, upori pa so na sprednji stranj Zelo pomembno je, da se položaj uporov pokriva s položajem membrane. Zaradi zamikov se spremeni tlačna občutljivost. Takim napakam se izognemo, če izdelamo večjo membrano. Na tak način zmanjšamo relativni zamik uporov. S tem se tudi zmanjšajo (ole-ranc« tlačne občutljivosti. Žal je velikost membrane določena in se j^ ne da spreminjati. Zaradi tega moramo take napake upoštevati že pri načrtovanju sen> zorja.
3 Kapacitivni senzor tlaka
Kapacitivni silicijev senzor tlaka je sestavljen iz dveh kondenzatorjev. Poleg referenčnega kondenzatorja Co
delovni Cp. Temu se spreminja kapacitivnost v odvisnosti od tlaka. Sprememba kapacltivnosti nastane zaradi spremembe geometrije kondenzatorja, ker le ena od plošč narejena na tanki membrani. Sila tlaka upogne membrano in približa plošči kondenzatorja, zaradi česar se poveča kapacHivnost /4/
referenčni konöenzaior
senzorski kondenzator
Slika 6 KapaciSo/ni senzor [laka
Na sliki 8 je prikazan presek kapacitivnega senzorja tlaka. Med elektrodama je reza, ki je izdelana s podob* nim postopkom kot membrana, ledajejedkan)e ustavljeno veliko prej.
Co predstavlja začetno kapacrtivnost pri tlaku paO
Tlačno občutljivosi lahko izračunamo iz dolžine in debeline membrane ter začetTiega razmika med pio-ščama. Ker je občutljivost proporcionalna upogibu.je močno odvisna od dimenzij membrane (e^l^ m «h^). Prednost kapacitivnih senzorjev je njihova velika občutljivost m majhna temperaturna odvisnost nekaterih parametrov. Zarad» tega se uporabljajo v posebnih razmerah, še pMsebej pri visokih temperaturah.
Začetna kapacitrvnost senzorja je zelo majhna, spremembe kapacitivnosti pa so še manjše Senzorju je dodano vezje (ponavadi nek oscilator], ki te majhne spremembe ojači. Taki senzorji so ponavnadi dražji tn se redko uporabljajo
Pri obeh vrstah senzorjev, tako pri piezouporovnih kol pri kapacitivnih, se srečamo še z eno vrsto tempera turne odvisnosti. Pn senzorjih absolutnega tlaka je v referenčni komori pod membrano vakuum. Zaradi temperaturnega raztezka residualnega plina v komori pride do (Sioer majhne) spremembe tlačne občutljivosti m ničle. Kapacitivni senzorji so tudi zelo občuljivi na spremembe dielektričnosti zraka med ploščama, ki jih povzroči sprememba vlage.
3.1	Izdelava kapacitivnega senzorja tlaka
Kapacitivni senzor tlaka je izdelan s podobnimi postopki kot piezouporovni. Postopka se razlikujeta le v tem, da pri kapacitivnem senzorju odpade difuzija uporovv membrani Membrana je metaJizirana po vsej površini, ker predstavlja eno od elektrod kondenzatorja. Poleg tega moramo izdelati podlago, v katen sta dve "votlini"', v katerih sta druga para eiektrod konden* zatorjev.
3.2	Mehanske in električne zakonitosti kapacitivnega senzorja tlaka
Kapacitivni senzor ima podobno membrano kot piezouporovni. zato veljajo enake mehanske lastnosti za oba. Pri kapacitivnem si bomo ogledali le, kako se spreminja kapacitivnost med membrano in podlago v odvisnosti od tlaka.
Kapacitivnost med membrano in podlago je /4/:


(14)
Co fe dielektrična konstanta, do pa razdalja med ploščama pri neobremenjenem senzorju. Definirajmo še efektivni upogib, ki ustreza pareüelnemu premiku dveh plošč.
A J
wdxdy
(15)
Pri tem predstavlja A površino plošče oz membrane. Sprememba kapacitivnosti je potem:



4 Primeri senzorjev
Trenutno obstaja veliko proizvajalcev senzorjev m pretvornikov tlaka. Vsi večji (Motorola, Texas Instru ments, SenSym, Silicon Microstructures,,..) imajo v svoji ponudbi osnovne senzorske elemente brez ohišja v obliki tabletke Taki senzorji so neprimerni za direktno uporabo in so namenjeni t.i. OEM {Original EQWpment Msnvfacturer) proizvajalcem, kakršen je tudi Hipot-Hy brid iz Šentjerneja. Poleg golih senzorjev se dobijo tudi pasivno kompenzirani v raznih ohišjih za razne razpone tlakov od nekaj milibarov do nekaj 100 barov. Vezje v takem senzorju poskrbi za temperaturno kompen zacijo. Ker so v ohišju, so primerni za vgradnjo in takojšnjo uporabo. Ker je kompenzacijsko vezje le pasivno, je izhodni signal takih senzorjev nizek, pod 100 mV pri 5 V napajalni napetosti. Zato moramo dodan neko zunanje ojačevalno vezje ali pa uporabiti tlačnt pretvornik kot najbolj izpopolnjeno obliko senzorja tlaka.
Pretvornik tlaka je aktivni element, ki pretvarja informacijo o velikosti tlaka na vhodu v eno od standardnih oblik procesnih signalov na Izhodu:
1	Napetostni izhod
-	0-5 V
-	2,b-2V
-	0-1OV
-	0.5-4 5V
2	Tokovni izhod
-	0-20mA
-	4-20mA
3	Frekvenčni ižhod
4	Digitalni izhod
5	Preklopni izhod (tlačno stikalo)
Možna je tudi kombinacija posameznih obJik. Pri "pametnem senzorju" (Smart $ensc/) je kombinirana tokovna zanka (4-20 mA) z digitalno obdelavo signala.
Takim senzorjem je öoöan mikrokontroler, ki krmili digitalna poUrciometre. Vse skupaj je povezano v tokovno zanko, tako daje možr^o samo z dvema žicama r)apajari celoten pretvornik, nastavljati njegove parameters in odtipavati tlak.
V Hipotu izdelujemo pretvornike za razpone tlakov od 0*5 mbar do 0*15 bar. za absolutno in diferencialno irtdrjenjd tlakov. Pc^^g tega izdelujemo senzorje po želji kupcev s poljubnim izhodom za razpone tlakov od 5 mbar do 16 bar. Primer takega razvoja je senzorsko polje s 120 senzorji tidka na enem samem iiskanem vezju (slika 9).
stajata dve izvedenki, in sicer 1ST 1000. ki ima obseg tlakov do 1 bar in 1ST lOOOA, ki ima obseg do 5 bar. Občutljivost obeh senzorjev je 2B mV/bar pri napajalni napetosti 7,5 V.
SI'Ha9 Primer aplikacije tlaCnih senzorjev pol/el20
senzoqev na enem vskanem vezju Vezie le kom-binaa/a hibridne tehnologije m površinske montaže. S spodnje strani so vidni iri/e od 15 hi-bndnih vezii, v katerih je v vsakem po 8 senzorjev tlaka.
Senzorji tlaka, izdelana v Hipotu, dosegajo točnosti do 0.5% m so popolnoma temperaturno kompenzirani. Po želji kupcev izdelamo tudi poljubno ohišje iz brizgane plastike. Poleg mdustnjskih tlačnih senzorjev izdelujemo tUdI medicinske tlačne senzorje, senzorje za nadzor pretoka in mikrokontrolersko nadzorovanesen-zorske module.
Proizvodnja Hipot*Hybrid d.O.O. zajema tudi druge veje senzorike, in sicer:
•	senzorje sile ("strain gauge" na keramični podlagi za Sileoci iNdo 1000 N)
•	PTC in NTC upore
(od +3500 ppnV^C do -10000 ppmTO
•	pribiizevalna stikala v minlaturizirani debeloplastni kzvedbi
senzorje vlage tn kisika.
V nadaljevanju si oglejmo tri senzorje tlaka, proizvedene v Hipot-Hybrid d.o.o, /5/.
4.1 Tlačni senzor 1ST 1000(A)
1ST 1000 je temperaturno kompenzirani senzor tlaka, zaprt v plastičnem ohišju (slika 10), ki ima standardni tlačni priključek PK 3 za cevi premera 4 mm. To je majhen, cenen senzor z odličnimi karakteristikami Ob-
Si'ka 10 Tlačni senzor 1ST 1000 s püsrvno lompc'oiwx: kompenzacifo
4.2 Tlačni pretvornik EST 2000
v tlačnem pretvorniku EST 2000 je poleg senzorja še ojačevalnik (slika 11). Obseg tlakov osnovne izvedbe je ±150 mbar. Po ielji »zdelamo pretvornik za poljubni tlačni obseg od 5 mbar do 15 bar. Napajalna napetost se lahko giblje od 4,8 V do 9 V. izhod iz pretvornika je napetostni
Slikali T/ačn^prefvom/AfSr^OOO
4.3 Polje osmih senzorjev 1ST 1002
1ST 1002 je hibridni modul, na katerem je osem senzorjev tlaka, ki merijo diferencialni tlak proti enemu referenčnemu tlaku isiika 12). Senzorji so multipleksirani. Izbira senzorja je digitalna (CMOS logika). Pnkliučne cevke »majo presek 0.6 mm. Senzorji mso temperaturno kompenzirani, ker se kompenzacija v večtoč-kovnih tlačnih sistemih izvaja programsko. Po žetji kupcev lahko vgradimo poljubne senzorje.
34
} 3 « s « RJ
ST 1002
»0
p«
? 6 9 16 '1
Iw'
J.
Slika 12 Modul IST 1002 z osmimi senzorji tlaka
4.4 Pretvorniki senzorskih signalov
Poleg celovitih izvedb senzorjev in pretvornikov izdetu» jemo tud( pretvornike zsi senzorske signale, ki se dajo uporabiti tako pri senzoriih tlaka kot pri katerihkolf drugih z mostično konfiguracijo ali napetostnim izhodom.
Prvi tak pretvornik je ETZ 1012, ki je v bistvu sigma-delta pretvornik z resolucijo 10 bitov (slika 13). Izhod je digitalen v obkiki serijskega vlaka impulzov. Na vhodu irrta čopersko stabiliziran ojačevalnik, kar omogoča direktno priključevanje senzorjev. Pretvornik je možno direktno priključiti na procesor ali na vhod računalnika.
Povezave modula
1	-GND
2	- GND
3	• Pov vezava
4	. Izhod
5	• Um.
6-Uv. 7 - Taki B • Napajanje 9 • Napajanje
Slika 13. Senzorski vmesnik z AJD pretvorbo ETZ 1012
Drug modul je boJj kompliciran. Oznako ima ETZ 1003 in ie programilen modul za merilne in kontrolne aplikacije Ker Ima majhno porabo, Je primeren za baterijsko napajanje. Na izhodu se lahko priključi T mestni LCD. Uporablja se lahko kot samostojni modul alf kot del večjega sistema. Programiranje modula izvedemo v Hipotu po algoritmu, ki ga zahteva kupec.
Kot zadnjega naj omenim še tokovni oddajnik za 4-20 mA tokovno zanko. Modul se napaja z dvožilno tokovno zanko. Na vhodu ima poljuben tlačni senzor, na ahodu pa oddaja tok v razponu od 4 mA do 20 mA. ki je sorazmeren vhodni napetosti. Ofačanje (oz trans-kcnduktanca) je nastavljivo v diskretnih točkah ali zvezno. Uporaben je v vseh primerih, kjer je zahtevana visoka imunost za motnje in v vseh procesnih sistemih, kjer se uporabljajo tokovne zanke.
Proizvodnja vseh hibridnih vezij je certificirana po ISO 9001. V podjetju Hipot-Hybrid d.o.o. smo pridobili certifikat o ustreznosti 7. julija 1993 in pohvalimo se lahko, da ISO 9001 uspešno izvajamo tudi v praksi
5 Sklep
Senzorske tehnologije so v zadnjem obdobju doživele velik razcvet. Tok dogodkov je s seboj potegnil tudi Hipot-Hybfld d o o., kjer ne samo izdelujemo, ampak tudi razvijamo nove senzorje. Ne smemo zanemariti sodelovanja z Institutom "Jožet Stefan", kjer se s sen-zoriko ubadajo na Odseku za keramiko. Sodelovanje je privedlo do mnogih novih spoznanj s področja sen^ zorjev m senzonke. Vse to znanje pa se že in se bo še naprej koristno uporabljalo v praksi. Golo znanje, pridobljene v laboratorijih, je nekoristne, če se ne zrcali v industriji. Prav tako kot z US, sodeluje Hipot tudi s Fakulteto za elektrotehniko in računalništvo iz Ljubljane. le da je obseg sodelovanja zaenkrat manjši kot z Institutom, Hipot ima debeloplastno tehnologijo, ki se JO da lepo dopolniti s poiprevodniško tehnologijo, ki jo obvladujejo na fakulteti v Laboratoriju za elektronske elemente V kombinaciji z raziskovalnimi motnostmi, ki jih ima Institut "Jožef Stefan", nastane idealna kombinacija za razvoj m prozvodnjo novih senzorjev m izpopolnjevanje (in pocenitev) obstoječin.
Dodatek I
Tabela pretvorb med posameznimi enotami za
tlak.
r*	nni	El H«.	"M		IMi«« UpO	II HI	fmM^		M	■1«	m
1	«OUB		»m	low	onu		»1IH	SiH	0M>	Ufi	IIH
14 Ul		se»	W»13	11B»	<QA1		n^iM		Itn«	'tnjo	IfiBS
(US	UM	1	IMO	oaco	on				99» ner		7aw
0«B	flOBS	»09	1	am ■ Wt				011^		Iti	CM»
	dft»	17		1	I00i(	»Sa			• H'»	«HB	««4
1«B	on?»		Min	Bt8»	1		nm	fm	«H»	««a	m»
	ora»		uvs	BCB«	tUiS	1	>$.403	9«M»			
	oni]			ItOi«		•t»	1	D<K	»wig		019
• 'S	00131	1«»		ID'«	«<»	*3»		! •	• >ia	11»	m
	oKn	3Hi<				nos				1WD	
I)!)'«	onn	dou	0«	«<OiC	«•IIB	•m	•7»	0V1	«OM	1	010
»1« «DO«		0»	tffl	»{nv	•Kn	i»		BiTS	dO'«	<<«D	1
Literatura
/1/ Risi< L S0r>6Of Toc/vWitogv OeviCP«; Ncvwooü Ailecf" Housp
/2/ M lomfieifAiiHiiei öy/w^n s^lcifv^cjfi (w^o/ttsi^if^r^ rOik^ aiplcTiska r^aloga	elektrotehniko m
racuriairkiilvo. L|«jDi|i3nj i9d5
^ AijaDäcU SumJ^aß ocizsa ir>Qc*>m<2itciif* tch/fOiocjisQ
ptozo'c.su'irwne^ i^nzoiß liftifä magisirsKä naK;^ Fakuneiar^ elel<1r<ne^•^^o račur^ainilivo LjuWjana
/ü/ Ko W H et ei A H-gti-Senstlf^Y WegraJeö LVcotf (J^pdouvc f^essui^ Trans^Juce' iEEE Troftcaction cn Electron Devces Voi £0-^ No 1 Jan 1962 pp 48-5p5
Interna OoKumenlaciia Hipol-M^na doo
S E Ciai< K D lA^se. P/^ssure Sens^/A'/fy m AfvsoffvofW.iAiy Stehst)hin iAaoflragmP/essureSensors lEEETraiis o^Giecl'on Devices. Col ED'26 No 12 Dec 1979 pp 1887-1$96
nie SSrnith.PieroiresfS/ancef/fecrfnG^mia'iru'nflfiffSiiiiooo Pnysi-cal R^i9w Vc^ r4o 1 19&A pp ^.49
Ä'ON Tuße El Steizer ?>Qzof9i^$!j\^PfO(xn>e5 0iS)k:of\l>ff\)%Q(3 (ay»^ J OlApoleOPhyscs Vol 34 No 2 Feb i963 pp 313-310
Viri slik:
SI $ m si 7
Aiiancicu. SimuTscije
perofesfsrivnog«? söivoryamagtsttska nalo^ Pakjttw.i elek'row'inio i" faCunePišivo, Ljoblfano. 1993 SI 9 00 S113
Eolcgtalcki arhiv m iniema dokumentacia Hipc'-Mytx'a d c :