Transcript Elosyss13prezkon

Mikrotechnológie v
automobilových senzoroch
Ján Šturcel, Peter Drahoš
Slovak University of Technology, Faculty of Electrical
Engineering and Information Technology
Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava, Slovak Republic
Kľúčové slová:
Senzorová technika automobilov, mikrosystémy,
mikrosystémové technológie, MEMS senzory
Trendy v senzorovej technike
Senzorová technika a mikrosystémové technológie
 Senzorika→súbor TP, spoľahlivé informácie z RP alebo MP,
požadované spracovanie informácií, vhodný prenos
 Nové princípy merania →nie!, efektívnejšie využitie
známych, optoelektronické, laserové, ultrazvukové, spektroskopické,
biotechnické, a i.
 Nová úloha→softwarové prostriedky na vyhodnocovanie
komplexných signálov, napr. obrazových, z viacerých senzorov,
prípadne senzorových polí, bezpečnosť, diagnostika, autokalibrácia
 Moderné senzory: menšie, lacnejšie, schopné zabezpečovať
komplexnejšie funkcie, aj bezdrôtový prenos nameraných hodnôt
a riadiacich signálov, bez externých zdrojov napájania
2
Nové oblasti použitia senzorovej
techniky, MEMS technológie
Senzorová technika a μ-systémové technológie
Príspevok k naznačeným trendom→ technika
mikrosystémov MEMS (MEMS technológie, Micro – Electro
Mechanical System)
 Očakávania→hromadne aplikácie mikrosenzorov
a senzorových systémov, μelektronika, μC, μAČ, v
elektronických prístrojoch a zariadeniach, embedded systems,
mechatronické zariadenia
 Nové oblasti použitia v ST→ klasické veličiny:
mechanické, termické, elektrické, netradičné veličiny:
biologické, chemické, klimatické, meteorologické, optické
a akustické, zisťovanie a vyhodnocovanie kvality produktov
 Mikrosenzory dynamicky veličín
3
Trendy v senzorovej technike,
MEMS
Senzorová technika a mikrosystémové technológie
 Energeticky nezávislé mikrosenzory → konverzia z energie
(kinetickej, tepelnej, svetelnej a i.) z bezprostredného okolia,
napr. z chvenia alebo teploty ľudského tela
 Inteligentné mikrosenzory →aplikácie umelej inteligencie,
napr. učenie sa na základe predchádzajúcich skúseností, adaptovanie sa na
zmeny, inteligentné senzorové systémy (Sensor Signal Procesing,
samodiagnostika, samokalibrácia)
 Nové oblasti použitia IMS → elektronické nosy,
vyhodnocovanie kvality produktov (chem. zloženie, farba, viskozita, konzistencia),
automobilové asistenčné služby, monitorovanie a diagnostika v medicíne
4
Mikrosystémové technológieMEMS
 Mikrosystémové technológie
→ 3D štruktúry,
rozmery→mikrometre [mikro (milióntina; 0,000 001),
 Vhodné
µm→10−6 m]
→ pre mikrosenzory, mikroaktuátory, mikrosúčiastky, napr.
mikrorelé, mikrocievky, mikrospínače
 Technologická kompatibilita → vytváranie mikroštruktúr
na jednom čipe, najčastejšie používaný materiál je kremík (Si) často
v kombinácii so sklom, polymérom a keramikou
5
Mikrosystémové technológieMEMS
Významné druhy technologických postupov
 Objemové mikroobrábanie (bulk micromachining)
Chemické postupy-suché a mokre leptanie,
odstraňovanie určenej časti substrátu
selektívnym leptaním (tvarovanie, tvorba
membrán, nosníkov, a i.).
6
Mikrosystémové technológieMEMS
Významné druhy technologických postupov
 Povrchové mikroobrábanie (surface micromachining)
Kroky (príklad), chemické postupy-suché
a mokre leptanie
•ukladanie tenkovrstvových materiálov –
dočasná mechanická vrstva
•depozícia a vytváranie vzoru produktu
Polykryštalický kremíkový (polysilicon)
v tenkej vrstve
rezonátor/kap. senzor - konštrukcia vyrobená
•odstránenie dočasnej vrstvy
postupom povrchného mikroobrábania 7
Mikrosystémové technológieMEMS
Významné druhy technologických postupov
 Mikroobrábanie štruktúr s veľkým pomerom geometrických
rozmerov
Nekremíkové technológie využívajúce
x-žiarenia (ionizujúce žiarenie:
röntgenové, gama,...) - vysoký pomer rozmerov
zubeného kolesa prevodovky kontra elektronika
8
Mikrotechnológie
v automobilových senzoroch
 Mikroakcelerometer, technológia MEMS → piezorezistívny
objemové mikroobrábanie
→ kapacitný
•seizmická hmota na pružnom nosníku
• polovodičové piezorezistory
prevod veľkosti a zmeny priehybu nosníka na
elektrickú výstupnú veličinu, napr. napätie
akcelerometer 1D
9
MEMS v automatizácii a
priemysle
Hmotnostný prietokomer vzduchu
v automobile
1. hybridné obvody
2. veko
3. kovová vložka
4. vnútorné potrubie s vyhrievaným drôtikom, R2
5. teleso prietokomera
6. ochranná mriežka
7. upevňovací krúžok
8. snímač teploty vzduchu, R1
9. krúžok snímača s vyhrievaným drôtikom
10. presný rezistor, R3 alebo R4
Realizácia MEMS technológiou senzorového
systému meranie hmotnostného prietoku vzduchu
v sacom potrubí motora
10
Mikrotechnológie
v automobilových senzoroch
 Riadiace systémy automobilov, ich senzory:
- riadenie pohonných agregátov (motorov),
- riadenie prevodového ústrojenstva a podvozku,
- riadenie zádržných (bez. pásy,..) a komfortných systémov (klíma,..),
- zabezpečovacie systémy a asistenčné služby→ ABS, ESP (Electronic Stability
Program)
 Automobilové senzory
• automobilový sektor dlhodobo rastúci trh senzorovej techniky, vrátane
MEMS senzorov,
• vozidlá vyššej triedy: okolo 100 rôznych senzorov, až 30 je
mikrosenzorov,
• po perifériách v oblasti IT druhá najrýchlejšie sa rozvíjajúca oblasť
MEMS prvkov.
11
Mikrotechnológie
v automobilových senzoroch
 AUTO technika, MEMS senzory, súčasnosť:
•
•
•
•
senzory zrýchlenia (spomalenia) → napr. airbagy,
gyroskopy → ESP služby,
merače prietoku nasávaného vzduchu→ riadenie motora ,
sledovače tlaku v pneumatikách → riadenie podvozku.
Iné príklady, MEMS:
Microsenzory: akustické vlny, biomedicínske, chemický, zotrvačnosť, optické, tlak, žiarenie,
tepelné, atď.
Mikroaktuátory: ventily, čerpadlá, elektrické a optické relé a spínače;
zvierky, kliešte, pinzety, atď.
Mikročasti prístrojov a zariadení: prieskumné lietadlá, roboty a hračky,
mikrochirurgické a mobilné telekomunikačné zariadenia, atď.
12
Mikrotechnológie
v automobilových senzoroch
príklady
 Asistenčné služby – MEMS akcelerometer




krátka reakčná doba,
rýchle prepínanie meracích rozsahov,
detekcia nulového zrýchlenie (0 g),
vnútorná diagnostika.
Princíp


seizmická hmota na pružnom nosníku
mikrokondenzátory
prevod veľkosti a zmeny priehybu nosníka na elektrickú
výstupnú veličinu, napr. napätie
Princíp MEMS akcelerometra,
1D
13
Mikrotechnológie
v automobilových senzoroch
 Možnosti použitia MEMS akcelerometrov (1-3D): detekcia a
monitorovanie nárazu, meranie zrýchlení a brzdení, meranie otrasov a
vibrácií, zabezpečovacie zariadenie→meranie náklonu (kapacitný)
pracovná teplota -40° ÷ +125°C,
spotreba 400µA, napájanie 2,2V –
3,6V, rozsah ±3g, ±11g, citlivosť
4405 mV/g a 117,5 mV/g
Akcelerometer 3D stanovuje uhol naklonenia od tiažovej sily, tj. od zvislici do
stredu zeme, využitie → asistenčná služba vodičovi
14
Mikrotechnológie
v automobilových senzoroch
 Merače prietoku nasávaného vzduchu
riadenie motora, efektívne riadenie priebehu spaľovacieho procesu v pohonnej jednotke automobilu
Používané metódy merania prietoku vzduchu v AUTO:
poloha škrtiacej/meracej klapky (QV, menej presné)
+ meranie teploty vzduchu (hmotnostný prietok QM, precízne riadenie), moderné
automobily
Zapojenie mostíka a zosilňovača - mostík trvale
vyvážený
•meranie teploty vzduchu R1
•meranie prietoku vzduchu R2
R1 >> R2
I
QM
R1

R2

QM
u v = f(Q M )
+
-
R3
R4
Hmotnostný prietokomer s využitím
termoanemometrického princípu
R
2  konšt .
R
1

 2  1  konš t .
teplotný rozdiel medzi oboma senzormi je konštantný,
stabilné podmienky pri výmene tepla, stačí merať I, (U)
Q
M
2
  C  I  C 
2
 1
2
15
Mikrotechnológie
v automobilových senzoroch
Hmotnostný prietokomer vzduchu
v automobile
obvody
← 1.2. hybridné
veko
RT – snímač teploty vzduchu, R1
RH – vyhrievaný rezistor, R2
RS – merací rezistor, (UV =)
R1 – kalibračný rezistor, R3 alebo R4
6 – keramická podložka
7 – oddeľovacia medzera
3. kovová vložka
4. vnútorné potrubie snímača
5. teleso prietokomera
6. ochranná mriežka
7. upevňovací krúžok
8. snímač teploty vzduchu, R1
9. krúžok snímača s vyhrievaným drôtikom R2
10. presný rezistor, R3 alebo R4
→
Realizácia MEMS technológiou senzorového
systému merania hmotnostného prietoku vzduchu
v sacom potrubí motora
16
Mikrotechnológie
v automobilových senzoroch
Inteligentný senzorový mikrosystém s vlastným zdrojom
napájania
•V USA sa v súčasnosti vytvárajú legislatívne podmienky na povinné
monitorovanie tlaku v pneumatikách automobilov prostredníctvom
"inteligentných" pneumatík.
•Miniatúrny snímač tlaku vytvorený mikrosystémovou technológiu je
uložený priamo v pneumatike, chvenie celého prostredia umožňuje
vytvoriť energeticky nezávislý (vlastný elektrický generátor)
inteligentný mikrosenzor so schopnosťou autonómne komunikovať
s riadiacou jednotkou.
17
MEMS – ďalšie aplikácie
Ďalšie zaujímavé aplikácie
 Biotechnológia:
• mikrosystémy na identifikáciu DNA
• mikrosystémy s vysokou schopnosťou skrining-u a určovania drog
 Lekárstvo – široká škála aplikácií MEMS senzorov tlaku:
 Na sledovanie krvného tlaku pacientov na jednotke intenzívnej starostlivosti
 MEMS →jednorazové tlakové senzory, kalibrované v sterilnom balení od výrobcu za cenu okolo 10
dolárov
 Meranie vnútromaternicového tlaku počas pôrodu
 MEMS senzory tlaku na monitorovanie vitálnych funkcií pacienta
 Špeciálne lôžka na liečbu popálenín, nafukovací matrac, použitie MEMS senzorov tlaku na reguláciu
tlaku v nafukovacích komorách
18
Trendy v senzorovej technike,
mikrosystémové technológie
ZHRNUTIE
 Systémová integrácia v AUT→ integrované prvky do E/P/H
systémov, spojenie hardware a software prostriedkov, napr. v embedded
systémoch→mechatronika
Výskumno-vývojová a pedagogická činnosť (ÚAM, odd.
elektroniky, mikropočítačov) → problematika inteligentné mikrosenzory →
sensor signal processing, aplikačný software, zbernicová komunikácia
v systémoch s mikroprvkami a mikrosúčiastkami
Mikrotechnológie v
automobilových senzoroch
Ďakujem za pozornosť
Ján Šturcel