Sensoryka A.D. 2014

Niemiecki związek zawodowy sensoryki AMA Fachverband für Sensorik przeprowadził badania „Sensor-Trends 2014”, mające na celu określenie kierunków technologicznego rozwoju sensoryki elektromechanicznej i sensorów gazu w perspektywie krótko- i długookresowej. Ze względu na bardzo szerokie spektrum zastosowań technologii sensorowych we wszystkich gałęziach przemysłu, zakres analizy ograniczył się do wybranych obszarów: procesów przetwórczych, energetyki, ochrony środowiska, budowy maszyn, motoryzacji, przemysłu medycznego, nauk przyrodniczych, sprzętu powszechnego użytku. Oto w wielkim skrócie wyniki badań.

Czujniki wielkości fizycznych

Wykorzystujące elektromechaniczne zasady pomiaru

Eksperci oczekują, że w czujnikach wykorzystujących elektromechaniczne zasady pomiaru dalej powszechnie będą stosowane metody rezystancyjne i pojemnościowe. Średniookresowo będą dominowały zasady pomiaru rezystancyjne i piezorezystancyjne, magnetyczne, piezoelektryczne, rezonansowe, jak również czujniki ultradźwiękowe i mikrofalowe (tab.).

Przewidywane są tendencje w kierunku miniaturyzacji, rosnącego zastosowania MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) i rozpoczynającego się zastosowania NEMS (Nano-Electro-Mechanical Systems), jak również zwiększonego zastosowania elementów pomiarowych krzemowych, także do wielkości termodynamicznych i chemicznych. W związku z tym oczekuje się, że w masowych zastosowaniach będą utrzymywały się systemy wielosensorowe i będzie rosło znaczenie bezpośredniego sprzężenia czujnik/człon wykonawczy (ang. sensor/actuator). Istotne są także wymagania idące w kierunku silniejszego sprzężenia z procesem, mniejszej niepewności pomiaru i większej stabilności długookresowej.

Czujniki gazu

Zasady działania czujników gazów są obecnie bardzo różnorodne. Dominują czujniki elektrochemiczne i rezystancyjne. Te ostatnie, wykonywane za pomocą tradycyjnych technologii ceramiczno-warstwowych, stanowią główną część współczesnych sensorów gazu dostępnych na rynku. Coraz większy udział zdobywają jednak czujniki półprzewodnikowe produkowane z wykorzystaniem nowoczesnych technologii obróbki krzemu. W mikromechanicznych czujnikach gazów podstawowymi elementami są membrany (w czujnikach rezystancyjnych) oraz belki (w czujnikach działających na zasadzie zmiany masy belki pod wpływem zaadsorbowanego gazu), które mogą pełnić funkcję podłoża mikromechanicznego.

Mikromechaniczne podłoże sensorowe będzie tym lepsze, im mniejsza moc będzie potrzebna do podgrzania go do wymaganej temperatury oraz im mniejsza będzie jego bezwładność cieplna. Zastosowanie coraz cieńszych membran sprzyja spełnieniu obu tych warunków. Membrany typu micro-hotplate umożliwiają znaczne zredukowanie mocy zużywanej przez sensor dzięki temu, że temperatura może być miejscowo ograniczona na niewielkim obszarze o minimalnym przewodnictwie cieplnym.

Przewiduje się, że do 2014 r. w pomiarach koncentracji gazów coraz większym uznaniem będą cieszyły się metody fizyczne, natomiast do selektywnej detekcji gazu – pomiary potencjometryczne w niedrogich zastosowaniach, a tam, gdzie cena nie odgrywa roli, będzie sięgało się do metod optycznych.

Kolejną tendencją jest rosnące zastosowanie krzemowych MEMS z podłożem typu hotplate i związana z tym większa integracja wielu czujników (tzw. sensor arrays) na jednym takim podłożu. A to prowadzi do jeszcze większej miniaturyzacji zintegrowanych sensorów.

Elektronika sensorowa

Ogólnie można zaobserwować tendencję, że początkowo dość proste czujniki rozwijają się w coraz bardziej zintegrowane i inteligentne systemy sensorowe, z coraz wydajniejszym hardwarem. W zależności od zastosowania, przetwarzanie sygnałów odbywa się w sposób analogowy, cyfrowy lub mieszany, przy czym digitalizacja i cyfrowe przetwarzanie wykonywane są w miarę możliwości na wczesnym etapie obróbki sygnałów.

Rośnie zakres funkcjonalny czujników. Coraz częściej sensory wykonują własne obliczenia korygujące, kompensują czułości skrośne, zawierają specjalizowane algorytmy, prowadzą autokontrolę i są wyposażone we własne interfejsy komunikacyjne. Na zwiększoną wydajność składają się:

• szybsze przetwarzanie sygnałów z mniejszym szumem i większą rozdzielczością
• mniejsze zużycie energii
• zdolność do pracy w wyższej temperaturze otoczenia
• bardziej kompaktowe wymiary
• sygnalizowanie wielkości zakłócających lub osiągnięcia wartości granicznych bez przenoszenia wartości pomiarowych.

Technologia

Podstawowymi technologiami wytwarzania układów mikromechanicznych są mikromechanika powierzchniowa i objętościowa. W mikromechanice powierzchniowej obróbce poddawane są cienkowarstwowe struktury o grubościach mikrometrowych. Płytka krzemu stanowi przede wszystkim podłoże mechaniczne, na którym osadzane są naprzemiennie warstwy materiału strukturalnego i maskującego. W mikromechanice objętościowej elementy wytwarzane są nie na powierzchni, ale w głębi krystalicznej płytki krzemowej. Tutaj również korzysta się z osadzania na powierzchni warstw maskujących i wytrawiania odpowiedniego wzoru, dzięki czemu technika ta doskonale nadaje się do wytwarzania rowków, membran i belek. Te podstawowe elementy mogą służyć nie tylko do budowy skomplikowanych struktur, np. mikrosilników, miniaturowych robotów itp., ale każdy z elementów może samodzielnie spełniać dodatkowe funkcje.
 

Integracja systemowa i komunikacja

Zgodnie z wynikami badań, w integracji systemów i komunikacji punkt ciężkości przesuwa się w kierunku przetwarzania sygnałów, zarządzania energią, autokontroli i miniaturyzacji, co razem prowadzi do zmniejszenia kosztów obsługi (Cost of Ownership). Główne tendencje to:

• 

  cyfrowe interfejsy
• więcej sensoryki bezprzewodowej
• zdecentralizowane przetwarzanie pomiarów
• równoległa rejestracja wielu wartości pomiarowych
• autonomiczne systemy sensorowe
• zminiaturyzowane sieci sensorowe (Smart Dust)
• autodiagnostyka i autokalibracja.

Smart Dust („inteligentny pył”) oznacza zintegrowane systemy o bardzo małym poborze mocy zawierające układy: obliczeniowy, komunikacji bezprzewodowej i do interakcji z otoczeniem. Odpowiedni poziom integracji składników tych systemów zapewnia technologia MEMS. Elementy Smart Dust mogą być połączone w sieć – pojedynczy składnik takiej sieci to mot. W Berkeley opracowano TinyOs, specjalny system operacyjny do sieci typu Smart Dust.

Technika montażu i połączeń, obudowy

Wraz z rosnącym udziałem produktów specjalizowanych, w technice montażu, połączeń i opakowań obserwowane są następujące tendencje:

• wzrost popularności wielowarstwowych układów scalonych
• częściej montowane są elektroniczne nieobudowane struktury półprzewodnikowe typu flip-chip
• hermetyczne obudowy
• funkcje zintegrowane w podłożu (nośniku obwodu) i substracie (warstwie)
• obudowy 3D ze zintegrowanymi elementami funkcjonalnymi
• coraz skuteczniejsze mechaniczne odsprzężenie elementów czujnika i obudowy
• nowe koncepcje integracji elementów czułych (na tkaninie, Lab-on-Chip, Lab-on-Disk, pasywowane medyczne systemy in-vivo itp.).

W niezwykle różnorodnej branży sensoryki, wśród wiodących dostawców przeważają głównie małe i średnie przedsiębiorstwa europejskie, które pokrywają łącznie ponad 30 % światowego rynku. Raport z badań „Sensor-Trends 2014” pomoże im zapoznać się z kierunkami rozwoju technologii sensoryki elektromechanicznej oraz lepiej ocenić własną sytuację na rynku.

Opracowanie: mgr inż. Elżbieta Jachczyk – PAR

źródło: PAR