3. Czujniki inteligentne

Rozwój miernictwa jest nierozerwalnie związany z dążeniem człowieka do szerszego poznawania otaczającego nas świata. Czujniki umożliwiają lepsze poznanie zjawisk nieosiągalnych dla ludzkich zmysłów i działają w niedostępnych dla ludzi warunkach środowiska, jak głębiny oceanów czy otwarta przestrzeń kosmosu. Jednym z podstawowych celów współczesnej techniki, wspieranej nowoczesnymi technologiami jest integracja zadań wielu struktur w jednolite układy. Postęp w mikroelektronice umożliwia budowę bardziej złożonych i jednocześnie bardziej funkcjonalnych urządzeń. Podstawowym problemem związanym z dotychczas stosowanymi czujnikami był słabej jakości sygnał wyjściowy o nieliniowej charakterystyce i niskim wskaźniku sygnału użytecznego do szumu. Stwarzało to problemy z późniejszym wykorzystaniem sygnału i wymagało dodatkowych środków służących poprawie jego jakości. Jednocześnie budowa lub modernizacja złożonych układów pomiarowych była czasochłonna, ponieważ wymagała skomplikowanych obliczeń i doboru wielu elementów koniecznych do prawidłowej pracy systemu. Zasadniczym celem wprowadzenia czujników inteligentnych było wyeliminowanie tych wad.

1. Zagadnienia podstawowe

Podstawowa definicja czujnika mówi, że jest to układ wytwarzający użyteczny sygnał wielkości elektrycznej w odpowiedzi na sygnał wielkości nieelektrycznej, czyli jest elementem znajdującym się pomiędzy światem zewnętrznym, a urządzeniem wykonawczym (np. komputerem). Często w potocznym rozumieniu pod słowem czujnik, rozumiemy przetwornik pomiarowy, czyli układ który przekształca wielkość wejściową na wyjściową według określonej funkcji, zwanej funkcją przetwarzania. Najtrudniejszym zagadnieniem jest określenie definicji czujnika inteligentnego. Pierwszy raz użyto tego określenia (ang. smart sensor) w latach 80 ubiegłego wieku w stosunku do układów integrujących czujniki półprzewodnikowe i obwody mikroelektroniczne w ramach jednej zwartej konstrukcji. Do dziś nie powstała jedna ogólna definicja czujników inteligentnych, w literaturze spotykamy wiele określeń. Dominującymi są następujące trzy. Pierwsza mówi, że każdy sensor ze zintegrowanym układem elektronicznym jest inteligentny. Druga definicja stanowi, że takim układem jest czujnik zintegrowany z mikroprocesorem. Trzecia wymaga od inteligentnego czujnika posiadania funkcji logicznych umożliwiających mu podejmowanie pewnych działań

zupełnie niezależnie. Żeby lepiej zrozumieć przedstawione pojęcia, trzeba przyjrzeć się budowie klasycznego zintegrowanego czujnika, który przedstawia wyraźny podział na cztery elementy.

Pierwszym jest element dokonujący pomiaru - czujnik (np. fotodioda, kondensator itp.), następnie sygnał z czujnika poddawany jest obróbce (np. linearyzacji, filtrowaniu, wzmocnieniu) poprzez układy korygujące. Jeżeli w jednym układzie pomiarowym występuje większa ilość czujników, po przetworzeniu sygnały z każdego z nich trafiają na multiplekser. W celu dalszej obróbki sygnał przetwarzany jest do postaci cyfrowej za pomocą przetwornika A/C, skąd trafia dzięki układom komunikacyjnym, na magistralę danych i dalej do urządzenia wyjściowego (np. komputera). Schemat budowy układu pomiarowego w oparciu o mikrokontroler/mikroprocesor przedstawiono na rysunku poniżej.

Sygnał z czujnika po wstępnej obróbce trafia do mikrokontrolera, który zapewnia nie tylko przetwarzanie sygnału do postaci cyfrowej, ale również jego analizę i interfejs komunikacyjny z urządzeniami, do których został podłączony. Dodatkowo w pamięci mikroprocesora wbudowane mogą być funkcje logiczne odpowiadające za wspomnianą wcześniej inteligencję. Przykładem mogą być funkcje zapewniające: autodiagnostykę, autokalibrację, autodetekcję. W ten sposób możemy określić, że czujnik inteligentny to zintegrowany układ potrafiący, bez żadnych dodatkowych elementów, zapewnić pomiar, obróbkę sygnału, komunikację z innymi urządzeniami oraz posiadający funkcję logiczne świadczące o jego pewnej autonomiczności. Większości zadań wymaga jednak wbudowania w jednym układzie wielu mikroczujników oraz co najmniej jednego mikrokontrolera lub mikroprocesora. Takie układy nazywane są często inteligentnymi systemami pomiarowymi.

1.1. Technologie półprzewodnikowe

Najczęściej stosowane są dwie technologie służące do produkcji czujników, wykorzystujące proces fotolitografii. Polegają one na odtworzeniu wzorów fotomasek na strukturze półprzewodnikowej, celem jest uzyskanie pożądanego kształtu powierzchni. Proces fotolitografii jest zazwyczaj wieloetapowy i składa się kolejno z: przygotowania powierzchni półprzewodnika, nałożenia emulsji światłoczułej, jej wygrzewania i naświetlenia, trawienia lub nanoszenia warstw metalicznych oraz usunięcia pozostałej emulsji z powierzchni płytki. Pierwszą jest technologia objętościowa (ang. bulk micromachining) i polega na trawieniu krzemu na ściśle określoną głębokość, dzięki czemu można uzyskać membrany lub podparte belki stanowiące podstawę budowy przyszłego czujnika. Technologia ta jest niestety dość trudna do stosowania ze względu na różnice pomiędzy grubością, a czasem trawienia w zależności od struktury krzemu. Drugą poważną wadą jest niemożliwość uzyskania bardziej złożonych konstrukcji. Stosuje się ją głównie w prostych konstrukcjach (np. czujnikach ciśnienia). Technologia powierzchniowa (ang. surface micromachining) pozbawiona jest tych wad, ponieważ strukturę tworzy się tutaj od podstawy nanosząc kolejne warstwy i poddając je trawieniu. Umożliwia to uzyskanie bardziej skomplikowanych kształtów i cieńszych membran, wadą jest czas trwania procesu oraz wyższe koszty produkcji.

Do produkcji czujników wykorzystuje się również inne technologie, takie jak:

• osadzanie powłok na powierzchni półprzewodników - dielektrycznych (tlenki i azotki krzemu) lub przewodzących (metalicznych),

• trawienie - za pomocą substancji chemicznych („na mokro”) lub plazmy („na sucho”),

• domieszkowanie - z wykorzystaniem dyfuzji (zmiana rozmieszczenia atomów w sieci krystalicznej zachodząca pod wpływem energii termicznej) lub implantacji jonowej (polega na rozpędzeniu jonów i ich zderzeniu z domieszkowanym materiałem).

1.2. Cechy układów inteligentnych

W porównaniu z klasycznymi rozwiązaniami przetworniki inteligentne potrafią realizować takie zadania, jak:

• linearyzacja charakterystyk przetwarzania - wykorzystując odpowiednie algorytmy oraz dane pochodzące z wbudowanych czujników kompensacyjnych albo z systemu nadrzędnego, zwiększają dokładność pomiaru i eliminują wpływ takich czynników jak temperatura lub ciśnienie,

• detekcja błędów i diagnostyka,

• dwustronne komunikowanie się z innymi urządzeniami w sieci,

• autotest i autokalibracja - możliwość zdalnej obsługi wielu przetworników,

• rejestracja i analiza danych pomiarowych - wykorzystując wbudowaną pamięć i mikroprocesor oraz komunikację sieciową,

• zdolność uczenia się i samodzielnego podejmowania decyzji - np. określenie zakresu pomiarowego.

2. Czujniki temperatury

Czujniki temperatury są najbardziej rozpowszechnionymi układami pomiarowymi. Wyposaża się w nie większość urządzeń współcześnie produkowanych. Służą jako urządzenia do pomiaru bezpośredniego (termometry, stacje meteorologiczne) lub jako urządzenia zabezpieczeniowe i testowe (przed przegrzaniem, przeciążeniem). Czujniki temperatury są wykorzystywane również w celu eliminacji błędów pomiarowych innych wielkości fizycznych, gdyż temperatura stanowi istotny czynnik zakłócający przy pomiarach z użyciem czujników półprzewodnikowych.

3. Czujniki ciśnienia

Czujniki ciśnienia, podobnie jak temperatury, są jednymi z najbardziej rozpowszechnionych. Znalazły swoje zastosowanie w medycynie (wykorzystuje się je do pomiarów np. ciśnienia krwi), lotnictwie (pomiar wysokości), jak i w sprzęcie AGD (np. poziom wody w pralce) oraz w kontroli procesów technologicznych. Główny podział czujników ciśnienia określa typu ciśnienia przez nie mierzonego: 1) absolutne (w odniesieniu do próżni), 2) względne, 3) nadciśnienie.

4. Czujniki przyspieszenia

Akcelerometry są przetwornikami dostarczającymi sygnał wyjściowy proporcjonalny do przyspieszenia, drgań (wibracji) lub udaru. Czujniki te znalazły szerokie zastosowanie zarówno w badaniach laboratoryjnych, jak i w sprzęcie codziennego użytku. Do ich najczęściej spotykanych zastosowań należą m.in. czujniki w poduszkach powietrznych, alarmach samochodowych. W dziedzinie badań stosowane są w celu poznania charakterystyk dynamicznych i oddziaływań testowanych obiektów na środowisko, dzięki uzyskanym wynikom można projektować elementy o zwiększonej odporności i trwałości na drgania oraz zmniejszyć hałas i drgania im towarzyszące.

5. Czujniki wilgotności

Zastosowań dla inteligentnych czujników wilgotności jest wiele, począwszy od sprzętu codziennego użytku, jak: lodówki, suszarki do odzieży i stacje meteorologiczne, do urządzeń specjalizowanych np. sprzętu medycznego (inkubatory), detektory przecieku lub systemy klimatyzacyjno-grzewcze.

6. Czujniki substancji chemicznych i biosensory

Czujniki służące do identyfikacji i pomiaru substancji chemicznych i biologicznych są najbardziej skomplikowanymi układami pomiarowymi. Produkcja takich czujników wymaga współdziałania specjalistów zarówno z dziedziny elektroniki, jak i fizyki, chemii, czy biologii.

W każdym biosensorze można wyróżnić dwie części: bioreceptor i przetwornik. Pierwszy oddziałuje z substancją badaną, wykorzystuje w tym celu elementy biologiczne. Drugi (elektroniczny) element przekształca efekt wywołany przez bioreceptor na sygnał elektryczny.

Głównym obszarem zastosowań są urządzenia medyczne służące do diagnostyki i monitorowania badanych parametrów związanych z zdrowiem i życiem pacjentów. Obszary medycznych zastosowań biosensorów to:

• diagnostyka lekarska - obejmuje proste i stosunkowo tanie przyrządy medyczne, łatwe do użycia i nie wymagające znaczącej wiedzy medycznej (cyfrowe termometry, ciśnieniomierze, monitory fun. oddechowych).

• medyczna analiza chemiczna - obejmuje urządzenia służące diagnostyce i wymaga dostępnych w szerokim zakresie wykrywanych substancji i łatwych w wymianie matryc czujników. Kolejnym wymogiem jest łatwość kalibracji,

• medyczne obrazowanie - urządzenia (sonografy, skanery) wymagające skomplikowanych systemów sterująco-kontrolnych. Wykorzystują drogie i niezawodne głowice składające się z matryc czujników inteligentnych lub układów wieloczujnikowych. Koszty części pomiarowej są duże, ale spełniają wysokie wymagania: wysoka niezawodność, długa żywotność i pełna wymienność części pomiarowej,

• czujniki i biosensory monitorujące - służą do bezpośredniego, ciągłego pomiaru składu płynów ustrojowych (np. krwi), z tego powodu produkowane są jako jednorazowe, sterylne i tanie. Wymagania stawiane takim urządzeniom to prosta kalibracja, łatwość wymiany podłączania.

Oprócz zastosowań związanych z medycyną, biosensory wykorzystywane mogą być w urządzeniach kontrolnych w przemyśle spożywczym i chemicznym. Wymagany jest tam nadzór nad przebiegiem reakcji chemicznych i określenie powstałych w wyniku substancji oraz ich stężenia. Kolejnym jest wykorzystanie czujników w programach monitorujących stan środowiska naturalnego.

---