SENZOROVÉ SYSTÉMY PRE AUTOMOBILY

Transcription

1 SENZOROVÉ SYSTÉMY PRE AUTOMOBILY prof. RNDr. Vladimír Tvarožek, PhD., Ing. Erik Vavrinský, PhD., Ing. Soňa Flickyngerová, PhD., Ing. Ivan Košč, PhD. Ústav elektroniky a fotoniky doc. Ing. Ján Šturcel, PhD., Ústav aplikovanej mechatroniky Osnova predmetu: Úvod do senzoriky. Mikrosenzory a mikroaktuátory: mikroelektronické a mikromechanické technológie ich výroby mikrosystémová technika MST. Senzory teploty. Senzory mechanických veličín: otáčok, rýchlosti, zrýchlenia a nárazu, polohy, obsadenia, posunutia, výšky hladiny a prietoku kvapalín. Chemické senzory plynov a vlhkosti. Metrologické a prevádzkové vlastnosti snímačov (senzorov). Inteligentné ("smart") senzorové systémy. Senzorové systémy, meracie kanály pre riadiace a zabezpečovacie systémy automobilov. Literatúra: [1] [2] Šturcel, J.: Snímače a prevodníky, STU Bratislava, 2002 [3] Fraden, J.: Handbook of modern sensors: physics, design and applications, Springler Verlag, N.Y., 1996 [4] Jurgen, R.,K. :Automotive Electronics Handbook, McGraw-Hill Inc., N.Y., 1999 [5] Husák, M. : Mikrosenzory a mikroaktuátory, Academia, Praha, 2008

2 Senzorika Senzorika - oblasť techniky týkajúca sa merania a spracovania informácií Z technického hľadiska informácia je kvantita, ktorá znižuje neurčitosť a môže byť identifikovateľná, merateľná a lokalizovaná. Nosičom informácie (a tým aj energie) je signál. Prevodník je funkčný prvok, ktorý realizuje prevod (transformáciu) energie z jedného systému do iného v tej istej alebo inej forme. Sprostredkovateľom prevodu energie sú signály v rôznych formách: elektromagnetické, radiačné, mechanické, tepelné, elektrické, magnetické, chemické, biologické. V živej prírode (ale aj v chémii) odozva na vonkajšie podnety má väčšinou elektrochemický charakter, t. zn., že nosičom výstupného signálu sú ióny. V elektrotechnike sú hlavným nosičom informácie elektróny (ak neuvažujeme fotóny ako vlastné a nezávislé elementy spracovania informácií) zrak (svetlo) fotodióda Podsystém informačných technológií - merací a riadiaci systém triptych, zložený z troch prevodníkov: senzora, elektronického procesora a aktuátora sluch (zvuk) mikrofón chuť (chemická reakcia) biosenzor čuch (oxidácia/redukcia) plynový senzor hmat (mechanická energia) tlakový senzor INFORMÁCIA ENERGIA MATERIÁLY

3 Senzory Senzor je funkčný prvok, ktorý mení špecifický signál na elektrický signál Senzor môže byť kombináciou viacerých prevodníkov, napr. chemický senzor : chemický signál tepelný signál koncentrácia chemický reaktor termočlánok elektrický signál

4 Ďalším prvkom v meracom a riadiacom systéme je elektronický procesor (modifikátor, signálny procesor) - funkčný prvok, ktoré upravuje a spracúva elektrický signál (vstup a výstup má rovnakú elektrickú formu). Na výstupe tohoto systému je aktuátor alebo displej. Aktuátor je funkčný prvok, ktorý mení elektrický signál na špecifický signál často spôsobujúci akciu. Displej je špeciálny typ výstupného prevodníka, ktorý mení elektrický signál na viacrozmerný signál, prijímaný ľudskými zmyslami (napr. zrakom, hmatom). Špecifický signál Aktuátor Akcia radiačný laser emisia svetla mechanický piezoelektrický element generuje ultrazvuk, tlak magnetický záznamová hlava magnetizuje médium tepelný tepelná tlačiareň tavenie černe chemický batéria chemická reakcia

5 Merací a riadiaci systém Vpraxi: operátor udržuje konštantnú hladinu kvapaliny v nádrži pomocou ventilu. Informácia o hladine kvapaliny v nádrži je získaná senzorom, ktorý sa skladá z dvoch častí: priesvitnej trubice na nádrži (mení mechanický signál - výšku hladiny - na optický signál) a operátorových očí (prevod optického signálu na elektrický signál pokračujúci cez nervy do mozgu). Kombináciou týchto dvoch častí dostávame selektívny senzor hladiny kvapaliny v nádrži - jeho rýchlosť odozvy, prípadne časové oneskorenie (fázový posun) budú determinované viskozitou kvapaliny a vhodnou konštrukciou meracej trubice. Spracovanie informácií prebieha v mozgu operátora procesor -, ktorý vysiela elektrický signál do aktuátora, tvoreného rukou operátora s ovládacím ventilom. Všetky nestability a poruchy (zmeny vstupného prúdenia, teploty, viskozity kvapaliny) sú kompenzované operátorom.

6 Fyzikálno elektrická reprezentácia senzora V reálnom svete existujú fyzikálne veličiny v pároch: vo forme "potenciálu P" a "toku F". Sú to, napr. elektrické napätie U a elektrický prúd I, tlak p a prúdenie dm/dt, teplo Q (teplota T) a tepelný tok dq/dt, mechanické napätie a deformácia. Potenciál P je zviazaný so vzdialenosťou l, prípadne plochou ("priečna" premenná): gradpdl 0 Tok F je lokálna veličina ("cez" premenná v bode i) : divf i 0 Súčin týchto komplexných veličín P x F charakterizuje "energiu E" alebo "výkon P podiel P /F "impedanciu Z"

7 Prevodná charakteristika senzora Ideálny vzťah medzi vstupným stimulom s a výstupným elektrickým signálom S je charakterizovaný prevodnou charakteristikou S = f(s) S m S (elektrický výstup) 100% chyba lineárna: logaritmická: S S as b a ln s b ideálna prevodná charakteristika hranice presnosti odchýlky exponenciálna: ks S as S mocninová: S a 0 a1s k S reálna prevodná charakteristika kde b je veľkosť výstupného signálu senzora pri nulovom stimule, a je citlivosť senzora, k je konštanta senzora Senzory podľa excitácie výstupného signálu môžeme rozdeliť na: aktívne - sú vlastným zdrojom elektrického signálu (termočlánok, potenciometrický elektrochemický článok) pasívne - potrebujú zdroj elektrickej energie e napájanie (piezoodpor, voltampérometrický článok). s s vstupný celkový rozsah (FSI) stimul

8 Dynamické vlastnosti senzorov stimul s odozva S dynamické charakteristiky časová závislosť parametrov senzora - rýchlosť odozvy, resp. frekvenčná odozva, fázové posunutie, vlastná frekvencia senzora, tlmenie a pod. 0. rádu: statická (časovo nezávislá odozva) S( t) G. s( t) G je konštantná prevodná charakteristika, ktorá nie je závislá od času A B C D E 0. rádu } 1. rádu 2. rádu 1. rádu: odozva je charakterizovaná diferenciálnou rovnicou Senzor popísaný touto rovnicou má schopnosť uschovať energiu predtým než ju opäť odovzdá, t. zn., že má "zotrvačnosť" a dosiahne skutočnú hodnotu výstupného signálu odpovedajúcu stimulu až za určitý čas. ds( t) a1 a0s( t) s( t) dt t - S( t) S( t) 2. rádu: odozva je charakterizovaná diferenciálnou rovnicou 1 a2 a0s( t) s( t) 2 a vyjadrená pomocou periodických funkcií sin(t), cos(t), e it dt dt má vlastnú rezonančnú frekvenciu ω 0 a tlmenie b, a a ktoré odpovedajú fyzikálnym, chemickým a elektrickým vlastnostiam b a0a2 senzora a 2 2 a d 2 S 0 1 e ds( t) /

9 Charakteristiky senzorov: rozsah Maximálny rozsah hodnôt vstupných stimulov, ktoré je senzor schopný detekovať s dostatočnou presnosťou a bez poškodenia sa označuje FSI (Full Scale Input). Maximálny rozsah hodnôt výstupných elektronických signálov (daný minimálnou a maximálnou hodnotou stimulov) je FSO (Full Scale Output). V prípade, že rozsahy senzora sú veľmi široké a prevodná charakteristika je nelineárna, je výhodné vyjadrovať pomer hodnôt veličín v decibeloch (db), ktoré môžeme vyjadriť pomerom výkonov P P db 10log P 2 1 alebo síl F db 20log F F 1 2 Decibelová reprezentácia umožňuje zároveň vyjadriť malé signály s vysokým rozlíšením a veľké hodnoty komprimovať Pomer výkonov db

10 Základná chrbtica elektronických komponentov v automobiloch

11 Senzory, elektronika a aktuátory v automobile

12 MST Mikrosystémová technika MST je moderná technologická báza pre návrh, výrobu a aplikáciu miniatúrmych súčiastok a systémov, ktoré môžu obsahovať senzory, elektronické spracovanie signálov a aktuátory, pričom sa kombinujú viaceré funkcie: elektrické, optické, mechanické, magnetické, chemické, biologické Optika Mechanika Chémia Elektronika Senzor Aktuátor Procesor Systém Biológia Informačné technológie Medicínke technológie Inteligentné senzory MST = MEOMS (Mikro-Elektro-Opticko-Mechanické Systémy) MST umožňuje hromadnú výrobu mikrosystémov : vysokáreprodukovateľnosť nízka cena moderná prevádzka zabudovaná inteligencia

13 Technológie pre mikrosystémy Dominantné technológie: Mikroelektronika - IC MOS, tenké/hrubé vrstvy, elektronika na rozhraní Mikromechanika/Mikroobrábanie objemové/povrchové, laser, rtg litografia s elektroformovaním a odlievaním (LIGA) Materiály: mono/poly Si, GaAs, pórovitý Si diamantový C, kremeň, SiC polyméry

14 Mikromechanika - mikroobrábanie Silicon Micromotor Micro-Reactor Structures High Aspect Ratio Si Pillars Mikroobrábanie : objemové/povrchové chemické leptanie plazmochemické/iónové leptanie laserové rtg litografia s elektroformovaním a odlievaním (LIGA) Materiály: mono/poly Si, pórovitý Si, GaAs diamantový C, SiC, polovodivé oxidy sklo, kremeň,, polyméry

15 Elementárne mikromechanické štruktúry senzorov uzatvorená membrána mostík kryt nosník zavesená membrána senzor membrána s prídavnou hmotnosťou

16 MOSFET tranzistor Princíp MOS tranzistora riadeného elektrickým poľom FET (MOSFET) je v tom, že napätím na hradle (elektrickým poľom) sa reguluje veľkosť kanálu pod ním a tým aj prietok prúdu medzi emitorom a kolektorom I K K H U EK U H E Napr. obohacovací MOS tranzistor s kanálom typu p (p-mosfet) potrebuje prekročiť určité prahové napätie U H0, aby sa kanál otvoril pri ďalšom zvyšovaní napätia U H, kolektorový prúd I K rastie kvadraticky Princíp MOSFETu pôsobenie vonkajšieho podnetu na hradlo - sa využíva napr. v mikrosenzoroch plynov (GASFET), iónovo selektívnych elektrochemických sondách (IS FET), biokatalytických (enzýmových) senzoroch (ENFET), akustických senzoroch (kapacitný FET mikrofón).

17 CMOS technológia Komplementárna (doplňková) štruktúra kov oxid polovodič, obsahujúca súčasne n- MOS a p MOS tranzistory (CMOS) na jednom čipe, umožňuje vytvoriť rovnovážny integrovaný obvod. Má nízke výkonové straty a je často aplikovaná v integrovaných senzoroch. MOS technológia sa využíva aj pri výrobe vysokokvalitných kondenzátorových štruktúr, ktorých kapacita sa môže meniť pomocou napätia. Majú použitie najmä v senzoroch, ktorých výstupný signál je elektrický náboj (potenciál), a ktoré sú dvojdimenzionálne usporiadané vo forme polí, alebo matíc. Sú to napr. optické snímače obrazu, infračervené zobrazovače, ale aj plynové a elektrochemické multielektródové senzory.

18 Tenké vrstvy Prečo tenká vrstva? tenká vrstva má veľký povrch vzhľadom na jej hrúbku (1 μm až 1 nm), to spôsobuje vysokú citlivosť a rýchlosť odozvy vrstvy na vonkajšie fyzikálne, chemické a biologické podnety v tenkej vrstve sú povrchy tak blízko seba, že majú rozhodujúci význam na priebeh fyzikálnych procesov odohrávajúcich sa vo vrstve kryštalická štruktúra, morfológia povrchu a chemické zloženie tenkej vrstvy sa dajú v širokom rozsahu podstatne ovplyvniť podmienkami depozície zmenou chemického zloženia je možné pripraviť tenké vrsty unikátnych vlastnosti, ktoré sa potom podstatne líšia od objemového materiálu e - Tenké vrstvy X nukleóny atómy 10-6 tenké vrstvy A B Z C X 10-3 ľudské vlasy červené krvinky elektrón v mikroelektronike 10-9 bunkové membrány, DNA rtg žiarenie elektrón v mikroskope 100 nm svetlo hrubé vrstvy 1 ruka písmo [m] človek integrované obvody 2 m

19 Tenkovrstvový odporový mikrosenzor el. prívody p T h plyn tenká vrstva pasivačná katalytická absorbčná t s l kontaktová citlivá, funkčná izolačná substrát Odpor R pásikového mikrosenzora R l š h kde l, š, h sú dĺžka, šírka a hrúbka funkčnej TV a jej merný elektrický odpor. V prípade TV sa používa aj hodnota odporu TV štvorcového tvaru (l =š), tzv. plošný odpor R s R s h

20 Odporové TV senzory teploty kontakty Pt alebo Ni meander R T R 2 0 AT BT C T T 3 Si/SiO 2 alebo Al 2 O 3 podložka TV Pt senzorov teploty s vlastnosťami odpovedajúcimi norme IEC x 10-8 m, TKR = 3900 x 10-6 K -1

21 Zdroje tepla v automobile Typ zdroja tepla Príklady Maximálna T [ C] motor Zapaľovanie/spaľovanie > 1000 Analyzátory prúdenia a plynov Prietokomer/anemometer/senzor kyslíka/ Lambda sonda > T vonkajšia / 300/ < 800 katalyzátor Chemická reakcia ~ 450 Trenie cesta/kolesá pneumatiky < 100 brzdy Disky/bubny 250 Mechanický pohyb (súkolie, ložiská) Prevodovka/náhon/riadenie/hydraulická pumpa/ 200 Výmeník tepla Chladič/ventilátor/klimatizácia > 175 Elektrické vyhrievanie Elektrické vynutia / indukčnosti Sklá/zrkadlá/sedadlá Alternátor/solenoidy/posilňovač riadenia/ štartér T vonkajšia + 25 < 180 Elektrické odpory Zaťažovacie rezistory 150 Svetlá Reflektory/smerovky/zadné/brzdové/ výstražné/svetlá Výkonová elektronika Ovládanie zapaľovania/regulátor napätia 200 Batéria Elektrochemický článok

22 Motor

23 Magnetické, induktívne, optické a SAW senzory polohy, krútenia a otáčok Rotating Coupling Torsion Load Stationary Coupling & Electronics SAW sensor

24 Senzory pre karosériu, tlmenie, brzdy

25 Piezoodporové senzory tlaku NiCr vrstva kontakty izolačná vrstva membrána U [mv] p [MPa] OptimálnahrúbkaNiCrvrstvybola 50 nm, čomu odpovedal plošný odpor R =36,, rezistivita = 180 x 10-8 m, TKR=±5x10-6 K -1, koeficient deformačnej citlivosti K = 1.85 a citlivosť senzora tlaku S = 0.5 mv/ma x 100 kpa

26 Priame monitorovacie systémy V každom kolese sa nachádza diaľkový senzorový modul obvykle obsahujúci: Tlakový senzor Senzor teploty Elektronickú kontrolnú jednotku Vysielač alebo vysielač + prijíma mač Anténu nu Batériu alebo bezbatériový zdroj elektrickej energie

27 Monitorovacie systémy

28 Typy senzorov snímajúcich celé okolie auta IR IR RADAR US VIS US VIS VIS IR US

29 Meranie rýchlosti objektov

30 Porovnajte maximálne rýchlosti, ktorými môže prejsť auto zákrutou o polomere xx m v suchom počasí, v daždi a pri poľadovici Odstredivá sila Sila trenia

31 Fyzikálne mikrosenzory: senzory nárazu rýchla odozva vysoká citlivosť samodiagnostika 1 ms 20 mv/g ±50, ±100, ±250 g 2 6 EUR

32 Inerciálne modulové jednotky na báze MST (MEMS) Aplikácie

33 Inerciálna navigácia a = F / m GPS Boeing AH-64 Apache Eurocopter NHI NH90

34 Biomonitoring vodiča automobilu

35 Inteligentné (smart) senzory Inteligencia senzorového systému IQ materiály IQ štruktúry IQ softvér Napodobňovanie živej prírody