Senzory tepla, světla, mikrovln, el. proudů (mag. polí) a biosenzory

Zdroje a literatura

• Pokud není uvedeno jinak, tak obrázky jsou převzaté z knihy a přednášek Prof. Ing. Miroslava Hušáka, CSc. z ČVUT, kterému tímto velice děkuji.

• Miroslav Hušák, Mikrosenzory a mikroaktuátory, ISBN 978-80-200-1478-8

Senzory tepla

• Kontaktní a bezkontaktní (např. pyroelektrický princip)

• Platinové odporové a klasické kapalinové jsou lineární, ostatní značně nelineární

Ekvivalence tepelných a elektrických veličin

• Pro modelování tepelných procesů lze využít elektrické veličiny, formálně mají stejné závislosti.

• Dříve používáno k tvorbě analogových modelů.

Teplotně závislé odporové senzory - termistory

• Velmi citlivé zejména v oblasti biologických teplot

• Nelineární

• PTC – kladný teplotní součinitel

– Dopovaný křemík, BiTiO3, polymerní s uhlíkem, často tlustovrstvá technologie

• NTC – záporný teplotní součinitel

– Polovodivé oxidy kovů

Křemíkové mikrosenzory – odpor šíření

• Vnitřní polovodič je teplotně závislý

• Polykrystalický křemík z důvodu i nejnižšího množství příměsí nad hodnotou instrinsické funguje jen v kryo oblasti

• Amorfní germanium lze použív v oblasti biologických teplot

Křemíkové mikrosenzory – odpor šíření

• Vnější polovodiče

• Si vhodný pro 100 K až 500 K

• Velké dopování nevhodné – viz graf

Křemíkové mikrosenzory – odpor šíření

• Hodní el. hrotová dioda - zhuštění proudových siločar

• Dop. 2*1014 cm-3 rezistivita 20 Ohm/cm, měřící proud mA

Tenkovrstvé SiC pro vysoké teploty

• Odporový princip, velký teplotní rozsah

• Vysoký odpor, funkce i ve vlhkém prostředí

• výroba RF naprašování, CVD

Tenkovrstvé Si polykrystalické odporové

• LPCVD, iontovám implantace, laserové modifikace – řízením dopování B řídí vlastnosti

• Tvarování odporového elementu litograficky

• Umístěné často na SiO2 a tím i zakryté, kontakty Al,

• Vysoká reprodukovatelnost výroby, levné, lze používat od -200 až do 200 oC

• Odpor např. 20 kOhm – 50 kOhm závislost jako u SiC

Teplotně závislí odpor dotované Si vrstvy

• Vhodné do průtokoměrů, atd.

• Odpor je úměrný pohyblivosti elektronů

Tenkovrstvé kovové odporové snímače

• Keramický Al2O3 substrát, vrstva Pt nebo Ni

• Tvar a tloušťka

• Citlivost typicky 0,5 Ohm/K - konstantní

Teplotní s PN přechodem

• Saturační proud diodou v propustném směru je funkcí teploty

Pro nízké teploty

Integrovaný senzor

• Vhodné na integraci i přímo do mikroobvodů

• Lze i na bipolárním tranzistoru např AD590

Teplotní senzor s CMOS tranzistory pracujícími v oblasti inverze

• Viz teplotní závislost pohyblivosti nosičů náboje, 2 um hradlo tloušťky 40 nm

• BiCMOS plošný

Polovodičové termoelektrické články

• Polovodiče mají vyšší termoelektrické napětí než kovy.

• dU = Ps * grad(T), Ps je Seebeckův koeficient

• Pro Si

Integrované senzory

• Úzké polovodičové (implantací) proužky a Al propojky

• Paralelní propojení

• Reálně nutné

realizovat na

membráně

SAW struktury

• Surface Acoustic Wave • Teplotní závislost rychlosti šíření povrchové akustické

vlny v LiNbO3 (časté) • Řešeno jako oscilátor se zpětnovazebnou zpožďovací

linkou • osc. fce. nepřímo úměrná zpoždění

SAW senzor teploty

• Vhodné rozměny např. l = 85.2 um

• 15 el. párů s a = 6.1 mm z LiNbO3 tloušťky 500 um na Al2O3 destičce

• Parametry nastaveny na osc. fr. 43 Mhz

• Lineární charakteristika

V -40 až 160 oC

Citlivost 4 kHz/oC

Šumové mikrosenzory

• Náhodný (tepelný) šum v pasivních součástkách

• Velmi malý výstupní signál, měřící rezistor na vstupu operačního zesilovače, lze použít i diodu nebo tranzistor jako snímač

Teplotní barevné indikátory

• Některé materiály mění s teplotou barvu

• Nestálé, degradují

• Často nálepky – vratné i nevratné varianty

• S kovy od 40 do 1350 oC

• S kapalnými krystaly -30 až 120 oC

Magnetická doména

• Extrémní citlivost mají SQUID

Hallův senzor

• Lorenzova síla působící na elektron pohybující se v magnetickém poli způsobí nabíjení protilehlých stran opačnými náboji

• Výsledkem je Hallovo napětí zajišťují rovnováhu • Rh pro kovy (Au, Cu) malé záporné u Si lze nastavit

Hallův koeficient pro Si podle dopování

Integrovaný Halluv senzor

• Mezi 1 a 2 teče proud, Halovo napětí mezi 3 a 4 • Epitaxní vrstva cca 5 až 10 um, rozměr 200 x 200 um,

vnímá vertikální B • Funkce jako magnetický kompas

Magnetodioda

• Vliv mag pole na diodové charakteristiky

• Opět Lor. síla, ovlivňuje průchod nosičů a jejich rekombinaci

Magnetodiody

• SOS – saphire on silicon

CMOS

Magnetotranzistory

• Měříme rozdíl mezi kolektory,

• Dva principy

– Vychylování nosičů náboje – Lorenzova síly vychýlí nosiče náboje a ty způsobí nerovnováhu mezi kolektory

– Modulace injekce – modulace emitorové injekce Hallovo napětí modulujeme pomocí emitoru proudovou injekcí

Vertikální struktura magnetotranzistorů

• Proud kolmo na povrch a mag. pole laterárně

• Dva typy

– DAMS – Differential Amplification Magnetic Sensor

– Magnetotranzistor s dvojitým kolektorem

DAMS

• Dva vertikální PNP tranzistory s společnou bází

• Kolmé mag. pole vytváří Hallovo napětí mezi emitory to moduluje injektoroké a tím také kolektorové proudy

• Výhodou je přímé zesilování malé úrovně H. napětí

Dvojitý kolektor

• Dva tranzistory NPN , báze a emitor společné

• Mag. pole vychyluzje elektrony k jednomu z kolektorů a tím vzniká rozdíl

Magnetotranzistor MOS-MAGFET

• Kanál MOSFET tranzistoru jako Halluv senzor

• Asymetrie v rozdělení proudu

MAGFET: a) n-kanálový, b) s dvojitou oblastí drain.

SAW senzor mag. pole

• Působením mag. pole na tenkou mag. vrstvu, kterou se šíří povrchově akustická vlna, dochází k modulaci parametrů šíření vlny

• Zapojujeme do obvodu oscilátoru, 250 kHz/mT

SQUID

• Supravodivý kvantově vázaný senzor

• Rozlišení fT, pole srdce v nT

• Kruhová struktura supravodiče YBa2CuO7 přerušená Josephsonovými přechody

Josephsonův jev

• Josephsonův jev (čti džouzefsnův,) je vznik elektrického proudu mezi dvěma supravodiči oddělenými tenkou vrstvou izolantu.[pozn 1] Existenci jevu předpověděl v roce 1962 Brian David Josephson.[2] Jedná se o speciální případ tunelového jevu, kdy částice procházejí zdánlivě neprostupnou bariérou. Zařízení využívající Josephsonův jev může mít formu mikroskopické elektronické součástky a nazývá se Josephsonův přechod (též kontakt či spoj).

• Jev má řadu aplikací v metrologii, medicíně, v obvodech pro kvantové počítání, v částicové fyzice i astronomii. Je základem zařízení SQUID, které extrémně přesně měří magnetická pole.

• V případě Josephsonova jevu procházejí izolační vrstvou tzv. Cooperovy páry elektronů se vzájemně opačným spinem. Takové párování elektronů, které je charakteristické pro supravodiče, funguje jen při nízkých teplotách a na krátkou vzdálenost zvanou koherenční délka.

https://cs.wikipedia.org/wiki/Josephson%C5%AFv_jev

Vývoje aplikací kvantové mechaniky ve fyzice nízkých teplot.

• Počátek 60. let byl dobou mimořádného vývoje aplikací kvantové mechaniky ve fyzice

nízkých teplot. • 1956 – Leon Cooper předpověděl párování elektronů. • 1957 – BCS teorie poprvé vysvětluje supravodivost na mikroskopické úrovni. V témže

roce Leo Esaki vyrobil první tunelovou diodu. • 1960 – Ivar Giaever experimentálně potvrdil předpovědi BCS teorie a objevil

tunelování elektronů mezi vodičem a supravodičem. Tunelování v pevných látkách se natrvalo stává součástí fyziky.

• 1961 – Potvrzeno kvantování magnetického toku supravodivou smyčkou (předpověď Londona z roku 1948).

• 1962 – Předpověď Josephsonova jevu (Brian Josephson – stáří 22 let). • 1963 – Experimentální potvrzení Josephsonova jevu. V letech 1961–1963

přednáší Richard Feynman svůj slavný kurs fyziky na Caltechu a Josephsonův jev uvádí v poslední přednášce cyklu jako aktualitu. Sám se v padesátých letech supravodivostí intenzivně zabýval.

• 1964 – Vyroben první DC SQUID. • 1965 – První RF SQUID. • V roce 1972 byla udělena Nobelova cena za fyziku za BCS teorii. O rok později ji za

svůj objev získal také Josephson společně s Giaeverem a Esakim, kteří zkoumali tunelování a přímo inspirovali Josephsonův objev.[14] Výzkum a technologický vývoj v této oblasti není zdaleka ukončen. Například v roce 2004 prokázal Ian Bairstow Spielman na Caltechu souvislost Josephsonova jevu s kvantovým Hallovým jevem na tenkých dvojvrstvách polovodičů.[15] V roce 2002 navrhli Jie Han a Pieter Jonker konkrétní realizaci klasického počítače, kde jsou bity reprezentovány proudem v supravodivých smyčkách a výpočetní jednotky jsou založeny na Josephsonově jevu. Jedna z výhod tohoto návrhu je možnost realizace kvantových i klasických výpočtů na stejné platformě.[16]

https://cs.wikipedia.org/wiki/Josephson%C5%AFv_jev

https://cs.wikipedia.org/wiki/Brian_David_Josephson

Josephsonův jev a SQUID

Spinově závislé tunelování

• Vysoká citlivost, práce při RT • Základ 3 vrstvy, krajní feromagnetické Ni, prostřední Al2O3

nebo jiný nevodič – velmi tenká, tvoří tunelovací bariéru • Pravděpodobnost tunelování závisí na orientaci

magnetizace Ni vrstev

Záření

Mikrosenzory ionizujícího záření

• Polovodičové detektory pracují na principu generování párů elektron – díra

• Mají dobré spektroskopické vlastnosti, ale často nutný kryostat, a mají malou účinnou plochu

• Časté jsou i klasické snímače trubice, scintilátory

Ionizující záření - fotodioda

• Dopadající foton generuje pár ve vyčerpané vrstvě, ten je přiloženým napětím rozdělen a tvoří el. proud

• Celkovou dávku lze měřit pomocí polykarbonátové vrstvy cca 5 um u ní dochází dopadem fotonů ke změně mech. vlastností – např. dozimetry

Ionizující záření – sensor s povrchovou bariérou

• Pro Alfa, gama, jádra

• Au elektroda na polovodiči

Neionizující záření

• Často Si

Fotorezistor

• Odpor klesá s osvitem

• Dopad fotonu vybudí elektrony z valenčního do vodivostního pásu

• 1k až 100 kOhm

Relativní spektrální citlivost

• Proto často CdS

Fotodioda

• Různé pn, PIN, Schottkyho, lavinová

• Vhodnou volbou od UV až do NIR

Fotodioda pn

• Si pn může detekovat v celém rozsahu 190 nm až 1100 nm

Fotodioda PIN

• má mezi vrstvou přechodu P a N vloženou vrstvu minimálně dopovaného polovodiče s velkou elektrickou pevností (až 500 V). Proto pracuje s velmi vysokými intenzitami elektrického pole v oblasti přechodu. Tím je dosaženo náběhu již v řádu 10−12–10−15 s.

BPW34/Q62702-P73

Fotodioda Schottky

• využívá usměrňujících účinků styku polovodiče a kovu. Polovodičem bývá nejčastěji křemík nebo GaAs typu N, kovem zlato nebo hliník. Schottkyho diody se nejčastěji zhotovují planárně epitaxní technologií.

http://www.creeaza.com/referate/fizica/FOTODIODE-CU-BARIERA-SCHOTTKY935.php

Au 50nm, ZnS 50 nm

Fotodioda - lavinová

• bývá předepnuta vysokým závěrným napětím řádu desítek až stovek voltů, často těsně pod průrazovým napětím, což umožňuje dosáhnout zisku okolo 100 až 1000. V tomto režimu jsou elektrony a díry excitované dopadem fotonů urychlovány silným vnitřním elektrickým polem a podobně jako ve fotonásobičích generují další nosiče, vzniká lavinový jev.

• Lavinová fotodioda sestává ze čtyř vrstev: N, P, čistého polovodiče a N+. Okolo vrstev N a P, mezi nimiž vzniká lavinový jev, se nachází ochranný prstenec z polovodiče typu N, který zvyšuje odolnost diody proti povrchovému napěťovému průrazu.

https://cs.wikipedia.org/wiki/Lavinov%C3%A1_fotodioda

Několikanásobná PIN

• Jednoduchý spektrální analyzátor

• Výcevrstvá báze I s heteropřechody, vrstvy citlivé na různé vlnové délky

• AlGaAs ve viditelné oblasti, AlGaN v UV

Fototranzistor

• Vyšší citlivost díky zesílení vzniklého proudu

• Foton generuje nosiče náboje v přechodu kolektor-báze

• Jako běžný tranzistor s fotodiodou mezi kolektor a bázi

V IR oblasti lze požívat

• Teplotní – termočlánky, pyroelektrické

• Kvantové - fotorezistory

Fotorezistory pro IR

• Tenká vrstva PbS (pro 2,2um fotony), PbSe (pro 3,8 um), HgCdTe (podle složení 12 až 16um).

• Teplotně závislé

Hradlové

• Ge, InGaAs, InAs, InSb

• Fotodiody

• InGaAs např. při 1,3 um s okénkem průměru 80 um proud ve tmě 100pA

Termoelektrické baterie

• Tenkovrtvově vytvořené 30um pásky kovů na Si membráně

• Pásky tvoří termočlánky Bi-Sb, pSi-Al, nSi-Au, • Pro vlnové délky 7 až 18 um • Problém je jen malý tepelný odpor Si konstrukce, lepší

GaAs konstrukce

Mikrobolometry

• Pyrometrický princip • Změny ohmického odporu bolometru dávají informaci

o toku fotonů • Nutné izolovat tepelně od okolí • Absorpční vrstva by měla mít konstantní abs. Koeficient

v celé rozsahu • Měříme teplotu jako změnu odporu zespodu nosníku

Mikrobolometry

• Z Si pokryté teplotně citlivým odporovým materiálem VO2 nebo SiN

• nožičky (zároveň kontakty) udržují senzor tepelně izolovaný od podložky, podložky s odrazivou vrstvou

• Lze použít jako termovizi

Pyroelektrické senzory

• Spontánní polarizace při změně teploty • Triglycinsulfát, PZT keramika, LiTaO3, PVDF (polyvinilfluorid) • Krystal materiálu je polarizován el. polem, zvýšením teploty dojde k

uvolnění (pootočení) domén to vytvoří nábojovou nerovnováhu , tj. napětí a proud obvodem

Pyroelektrické senzory

• Obvykle řešeno jako dvě elektrody

• Měříme změny v náboji

• Teplotně závislé

Mikrovlny – tepelné konvertory

• Lze použít fotodiody i fototranzistor – obdobné vlnové délky a určit výkon s ohledem na absorbovaný i odražený – to je ale složité

• Snadné je naopak převést MW na teplo a to změřit

Pasivní MW senzory

• Převod MW na teplo – fyzikálně definované, nezávisí na časovém průběhu MW signálu

• Membrána 1,5 um AlGaAs, NiCr absorbér

Senzory - biochemická doména

• Důležité v poslední době zejména rezonanční - SPR

Chemorezistory

• Mění se el. vodivost citlivé vrstvy • Citlivá vrstva

– Objemová – Plošná – silná cca 500nm/tenká do

300nm

• Zejména oxidy kovů a polymery • Často nutné zahřívání – tj. dodání

aktivační energie pro přenos náboje při chemoadsorpci

• Citlivost od ppm

Polymerní

• Vodivávrstva polypyrolen, polyaniline

• Polystyrene pro měření Ph

• PVC pro měření vlhkosti

Chemokapacitory

Mění se dielektrická konstanta v kondenzátoru vlivem okolních podmínek

Chemodiody

• Schottkyho pn přechod kovová elektroda + oxidová elektrody z vhodného snímacího oxidu

Organická S.d. s polymerním polovodičem (p typ)

Chemotranzistory

• Dioda + přímozesilující prvek

• Princip jako u tepla a světla od cca 1975

• H2 mění výstupní práci z Pd a je Pd rozložen na H, na rozhraní pak ovlivňují přechod

• OGFET varianta bez hradla na vstupu, změna v oxidové vrstvě

Teplotní chemické

• Pyroelektrické – teplotní senzor pokryjeme látkou, která ve styku s chemikálií mění teplotu

• Kalorimetrické – uvolněné teplo při řízené reakci

Gravimetrické

• QCM – krystal

Měříme hmotnostní změnu citlivé vrstvy nanesené na krystalu

– Selektivita – např. přidána filtrační membrána

– Existují pro detekci vůní a pachů – kosmetika, potravinářství

Gravimetrické

• SAW – viz dříve

• Opět šíření povrchové vlny přes nějakou oblast citlivou na snímané molekuly – změna hmoty

• Lze SO2 v ppb

Optické

• Změna optických vlastností

• Zdroj světla např. LED

SPR

• Viz např.

• doi:10.1016/j.snb.2011.08.036

Biosenzory

• Rozpoznává bioaktivní částice

• Celá škála zařízení