تحقیق سنسورهای حرارتی
مقدمه :
سنسورها رابط بين سيستم كنترل الكترونيكي از يك طرف و محيط، رشته كارها يا ماشين از طرف ديگر هستند. در اواخر دهه 1970 و اوايل دهه 1980 تكامل سنسور در سطح بين المللي بين سه و پنچ سال عقب تر از تكامل علم ميكروالكترونيك در نظر گرفته مي شد. اين حقيقت كه ساخت عناصر ميكروالكترونيك غالباً بسيار ارزانتر از عناصر اندازه گيري كننده اي
( سنسور هايي ) بود كه آنها احتياج داشتند ، يك مانع جدي در ازدياد و متنوع نمودن كاربرد ميكرو الكترونيك پردازشگر اطلاعات در گستره وسيعي از عمليات و رشته كارها بود. چنين اختلافي بين علم ميكروالكترو نيك مدرن و تكنولوژي اندازه گيري كننده كلاسيكي تنها توانست به واسطه ظهور تكنولوژي سنسورهاي مدرن بر طرف شود.
اگر چه سنسورها به همراه علم ميكروالكترونيك پردازشگر اطلاعات ، يك گام مهم را به جلو عرضه دارد ليكن اين ، تنها اولين قدم است . در اين مرحله سنسورها از تعدادي از عناصر ميكروالكترونيك موجود ، براي مثال به شكل پردازشگرها ، حافظه ها ، مبدل هاي آنالوگ به ديجيتال يا تقويت كننده ها ، براي آماده نمودن سيگنال خروجي استفاده مي كنند.در عين حال سنسوربايد يك خروجي الكترونيكي توليدكند كه به آساني پردازش شود . دومين گام عبارت از اتصال سنسور سيستم ميكروالكترونيك –بخش مكانيكي مي باشد . اين زنجيره تنها در صورتي كار مي كند كه همه خطوط رابط باشند اين امر منجر به توصيف يك معيار مهم تر به ويژه تا جائيكه سنسور مر بوط است مي شود.
فصل اول
تعريف عبارت سنسور :
امروز كلمه سنسور به هيچوجه از مفاهيمي از قبيل ميكرو پروسسور ، ترانسپيونز (يك ميكرو چيپ كامپيوتري بسيار قدرتمند كه مي توان مقادير فوق العاده زياد اطلاعات را به طور خيلي سريع پردازش نمايد) انواع مختلف حافظه و ساير عناصر الكترونيكي به عنوان يكي از لغات وا بسته به دنياي نو آوري هاي تكنولوژيكي اهميت كمتري را ندارد . با وجود اين سنسور هنوز هم فاقد يك تعريف دقيق است همچنانكه عباراتي از قبيل پروب، بعد سنج (gauge ) ، پيك –آپ يا ترنسديوسر، مدتها چنين بوده اند . كوششهاي زيادي به عمل آمده است تا كثرت تعاريف را محدود نمايد . كلمه سنسور يك عبارت تخصصي است كه از كلمه لاتين Sensorium به معناي توانايي حس كردن يا Sensus به معناي حس برگرفته شده است . پس از آشنايي با منشا مفهوم سنسور ، تاكيد كردن بر تشابه بين سنسورهاي تكنيكي و اندام هاي حس انساني واضح به نظر مي رسد. شكل زير اين تشابه را نشان مي دهد:
ماشين انسان
تكنيك هاي توليد سنسور:
تكنولوژي سنسور امروزي هنوز هم بر اساس تعداد نسبتاً زيادي از سنسورهاي غير مينياتوري استوار شده است . اين امر با بررسي ابعاد هندسي سنسور هايي براي اندازه گيري فاصله ، توان ، شتاب ، سرعت، سيال عبوري ، فشار و غيره مشاهده مي شود. براي اكثر سنسورها اين ابعاد از cm 10 تجاوز مي كند . زيرا اغلب ابعادسنسور تعيين نمي شود بلكه بوسيله پوشش خارجي آن مشخص مي گردد. با اين وجود ، حتي در چنين مواردي خود سنسور ها از نظر اندازه در حد چند سانتي متر هستند . چنين سنسورهائي ، كه مي توانند گاهي خيلي گرانبها باشند، در آينده مهم باقي خواهند ماند.
براي مثال در زمينه اندازه گيري پروسه ، تكنولوژي توليد و نيز ربات ها كاربرد دارند. با اين وجود به طور موازي با اين مسئله مي توان تكامل ديگري را مشاهده كرد كه بوسيله پيشرفت هائي در ميكرو الكترونيك شروع شده است. تكنولوژي ميكروالكترونيك ظهور و تكامل سنسورهائي را برانگيخته است كه قابل مينياتور سازي هستند و براي امكان توليد انبوه مناسب مي باشد. اين امر يقيناً به معني آن نيست كه تكنولوژي سنسور با همان آهنگ ميكرو الكترونيك تكامل خواهد يافت.
هدف از ميناتور سازي ارائه يك سري مزايا مي باشد.براي مثال ، اثر سنسور مينياتوري برروي پارامترهاي اندازه گيري شده ضعيف است . اين به معني آنستكه چنين سنسوري درجه كمتري از تداخل را ايجاد
مي كند و بنابراين درجه بالاتري از دقت اندازه گيري حاصل مي شود . اينرسي سنسور كاهش مي يابد و سنسور توان كمتري را نسبت به سنسورهاي كلاسيكي مصرف مي كند.
تكنولوژي هاي ميكروالكترونيك زير براي توليد سنسور ها به كار برده مي شوند:
ـ تكنولوژي سيليكان
ـ تكنولوژي لايه نازك
ـ تكنولوژي لايه ضخيم / هيبريد
ـ ساير تكنولوژيهاي نيمه هادي ( نيمه هادي هاي II-VI,III-V )
پروسه هاي ديگري نيز در توليدسنسور به كار برده مي شوند ، ازقبيل تكنولوژي هاي فويل ( با چكش كاري يا غلطاندن فلزي را به شكل يك صفحه در آوردن ) و سينتر ( با گرم كردن يك ماده پودر مانند را به شكل يك جسم سفت در آوردن) تكنولوژي فيبر نوري ، مكانيك دقيق ، تكنولوژي ليزر نوري ، تكنولوژي ميكروويو تكنولوژيهاي بيو لوژي . به علاوه تكنولوژي هائي از قبيل پليمرها ، آلياژهاي فلزي يا مواد پيزو الكتريكي را در توليد سنسور بازي مي كنند.
سنسورهادر تكنولوژي لايه نازك (Thin-film technology):
بسياري از تاثيرات خارجي كه بايد ثبت شوند ، بر يك لايه سطحي نازك سنسور اثر مي كنند . نور مثالي از اين نوع است . از طرف ديگر به منظور دستيابي به يك زمان پاسخ سريع ، در مورد حرارت، آنها احتياج به يك احتياج به يك حجم كوچك دارند. جنبه هاي عملياتي معيني از قبيل نفوذ پذيري لايه هاي فلزي نازك نسبت به رطوبت ، مي توا نند لايه هاي نازك را جالب توجه سازد.
عناصر كليدي در يك سنسور لايه نازك زمينه و ماده لايه نازك هستند . مواد به كاربرده شده براي زمينه ، شيشه ، فلز ، پلاستيك ها و اخيراً سيلكان هستند استفاده از سيليكان زماني جالب توجه مي شود كه تجمع يك پارچه سنسور و مدارات الكترونيكي آشكار ساز مورد نياز باشد.
با وجود اين ، شيشه ، سراميك و فلزات بيشتر از همه به عنوان زمينه به كار برده مي شوند . بسته به نياز ، مي توان از شيشه پنجره ساده يا شيشه كوارتز گرانبها استفاده كرد . اخيراً توجه زيادي به
( ياقوت كبود) كريستالي نشان داده شده است . انواع مواد، از لايه هاي فلزي ساده و لايه هاي اكسيدي تا لايه هاي نيمه هادي ، مي تواند به عنوان لايه هاي سنسور به كار برده شود. انواع لايه هاي زير به كار برده مي شوند:
لايه هاي مقاومتي وابسته به درجه حرارت ( مثلاً NI ,PT,AU آلياژهاي NI ، ZNO ،NANO3 )
لايه هاي حساس به نور ( مثلاً PBSE ، HGCDTE ، Si )
لايه هاي مقاومتي حساس به فشار ( مثلاً آلياژهاي NICR -SI چند گانه)
لايه هاي پيزو الكتريكي ( مثلاً ZNO)
لايه هاي حساس به رطوبت ( مثلاً O3 AL2 ،پلي استيرن)
لايه هاي حساس به مواد شيميايي ( مثلاً ZNO2 ، SNO2، 3Fe2o )
تحقیق سنسورهای حرارتی