1. No category

KANDIDAATINTYÖ
2011
Mikko Teittinen
Aalto-yliopisto
Teknillinen korkeakoulu
Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta
Elektroniikka ja sähkötekniikka
Mikko Teittinen
Integroidut anturit
Kandidaatintyö
7.12.2011
Työn ohjaaja:
TkT Petri Kärhä
AALTO-YLIOPISTO
TEKNILLINEN KORKEAKOULU
KANDIDAATINTYÖN TIIVISTELMÄ
Aalto-yliopiston Teknillinen korkeakoulu
Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta
Elektroniikka ja sähkötekniikka
Tekijä: Mikko Teittinen
Työn nimi: Integroidut anturit
Päiväys: 7.12.2011
Sivumäärä: 21
Vastuuopettaja: Markus Turunen
Ohjaajat: TkT Petri Kärhä
Kieli: suomi
Tämän kandidaatintyön tarkoitus on antaa yleinen katsaus integroiduista antureista.
Tavoitteena on antaa kuva integroitujen antureiden käyttömahdollisuuksista ja
hyödyllisyydestä. Työssä esitellään tekniikka antureiden valmistuksen ja toiminnan
takana sekä kerrotaan yleisiä käyttökohteita.
Integroidut anturit sisältävät anturielementin lisäksi lähielektroniikan anturisignaalin
mittaamiseen ja muokkaamiseen. Lähielektroniikka sijaitsee anturin välittömässä
läheisyydessä, jolloin anturisignaali voidaan vahvistaa, suodattaa ja muuttaa haluttuun
formaattiin mittauskohteessa. Puolijohdeteknologian ansiosta integroidut anturit
voidaan valmistaa yhdelle mikropiirille. Tämän johdosta integroituja antureita
käytetään nykyään monissa mittaus- ja säätöjärjestelmissä.
Integroidut anturit ovat hyvä keino lisätä mittausjärjestelmän luotettavuutta.
Standardoitujen ulostuloformaattien käyttö helpottaa mittalaitteiden liittämistä
esimerkiksi tietokoneeseen. Digitaaliset yhteydet ja langattoman tiedonsiirron käyttö
mahdollistavat integroitujen antureiden yhdistämisen isoksi mittausverkostoksi.
Tällaisen mittausjärjestelmän etuja ovat muun muassa usean suureen samanaikainen
mittaus ja hyvä häiriönsietokyky.
Avainsanat: integroitu, anturi, elektroniikka, mikroelektroniikka
Sisällysluettelo
Sisällysluettelo ........................................................................................................ iv
Lyhenteet ................................................................................................................. v
1.
Johdanto........................................................................................................... 1
2.
Määritelmä ja käyttökohteet ........................................................................... 2
2.1.
2.2.
3.
Määritelmä .................................................................................................. 2
Käyttökohteet .............................................................................................. 3
Toimintaperiaatteet ja mittausmetodit ........................................................... 7
3.1. Anturi.......................................................................................................... 7
3.1.1. Generoiva anturi................................................................................... 7
3.1.2. Moduloiva anturi.................................................................................. 8
3.2. Lähielektroniikka ...................................................................................... 10
3.2.1. Käyttöjännite ...................................................................................... 10
3.2.2. Anturin mittaus .................................................................................. 11
3.2.3. Suodatus ja vahvistus ......................................................................... 12
3.2.4. A/D-muunnos..................................................................................... 12
3.3. Ulostulo .................................................................................................... 13
3.3.1. Analoginen jännite- ja virtaviesti ........................................................ 13
3.3.2. Digitaalinen viesti .............................................................................. 13
3.3.3. Langaton tiedonsiirto.......................................................................... 15
4.
Valmistustekniikat ......................................................................................... 16
4.1.
4.2.
5.
Piirilevy .................................................................................................... 16
Mikropiiri.................................................................................................. 16
Yhteenveto ..................................................................................................... 19
Viiteluettelo ............................................................................................................ 20
Lyhenteet
ISM
Industrial, Scientific and Medical. ISM-taajuudet ovat vapaasti
käytettävissä olevia radiotaajuusalueita.
EEG
Electroencephalography,
elektroenkefalografia.
Menetelmä
aivojen sähköisten signaalien mittaamiseen ja aivosähkökäyrän
muodostamiseen.
SPI
Serial
Peripheral
Interface.
Standardoitu
digitaalinen
tiedonsiirtoväylä.
NTC
Negative
temperature
lämpötilakerroin
tarkoittaa,
coefficient.
että
kappaleen
Negatiivinen
fysikaalinen
ominaisuus muuttuu lämpötilan käänteisfunktiona.
RF
Radio frequency. Radioaallot ovat sähkömagneettista säteilyä
taajuusvälillä 3 hertsiä – 300 gigahertsiä.
A/D-muunnin
Analogia-digitaalimuunnin. Laite,
joka muuttaa syötetyn
analogisen jännitteen tai virran digitaaliseen muotoon eli
signaalin amplitudia vastaavaksi bittiluvuksi.
I²C
Inter-IC, Inter-Integrated Circuit. Standardoitu digitaalinen
tiedonsiirtoväylä.
USB
Universal
Serial
tiedonsiirtoväylä.
Bus.
Standardoitu
digitaalinen
1
1. Johdanto
Integroiduilla antureilla tarkoitetaan mittalaitteita, jotka sisältävät ympäristöä
mittaavien anturien lisäksi elektroniikan datan eteenpäin viemiseksi. Integroitu anturi
ei lähetä anturisignaalia eteenpäin sellaisenaan, vaan laitteeseen integroitu
lähielektroniikka muokkaa signaalin haluttuun formaattiin. Muokattu signaali
lähetetään esimerkiksi tietokoneelle standardoituja väyliä käyttäen.
Anturisignaalin lukemiseen kaukaa mittauskohteesta sisältyy ongelmia, kuten
mittausdatan vääristyminen. Ulkoiset sähkö- ja magneettikentät kytkeytyvät
siirtojohtoihin aiheuttaen häiriöitä matalajännitteisiin anturisignaaleihin. Häiriöiden
vaikutus kasvaa anturin ja sitä mittaavan laitteen etäisyyden kasvaessa. Integroidussa
anturissa mittauselektroniikka sijaitsee anturin välittömässä läheisyydessä. Heikko
anturisignaali voidaan tällöin vahvistaa heti mittauskohteessa, jolloin ulkoisten
häiriöiden vaikutus on vähäisempi. Mittausdata voidaan edelleen muuntaa esimerkiksi
digitaaliseksi tai lähettää eteenpäin radioaalloilla.
Koska monet kaupalliset integroidut anturit hyödyntävät ulostuloformaattinaan
yleisesti käytössä olevia tiedonsiirtostandardeja, voidaan erillisistä integroiduista
antureista muodostaa verkko. Tällaisen mittausjärjestelmän keskuksena toimii
esimerkiksi tietokone, joka kerää mittaustietoja sekä ohjaa tarvittaessa antureita.
Tämän työn tavoitteena on antaa yleinen katsaus integroiduista antureista kertomalla
niiden toimintaperiaatteista ja esittämällä joitakin esimerkkisovelluksia. Toisessa
luvussa määritellään integroidut anturit terminä ja kerrotaan niiden käyttökohteista.
Kolmannessa luvussa selitetään integroitujen antureiden rakennetta ja eri osien
toimintaa.
Luvussa
listataan erilaisia käytössä olevia antureita,
kuvaillaan
elektroniikan toimintaa ja kerrotaan erilaisia formaatteja siirtää tietoa eteenpäin.
Neljännessä luvussa kerrotaan erilaisia tapoja valmistaa integroituja antureita.
Luvussa listataan ja kuvataan materiaaleja sekä tekniikoita joilla anturi ja
elektroniikka saadaan samalle piirille.
2
2. Määritelmä ja käyttökohteet
2.1.
Määritelmä
Integroidulla anturilla tarkoitetaan yleisesti laitetta, jossa mittaavan anturin yhteyteen
on lisätty elektroniikka anturisignaalin muokkaamiselle. Anturin antama signaali
käsitellään sekä muokataan helpommin käsiteltävään muotoon ja lähetetään eteenpäin
mittausjärjestelmään.
Yksinkertainen tapa mitata jotakin suuretta järjestelmässä on asettaa siihen anturi ja
mitata sen välittämää tietoa. Tyypillisiä antureilla mitattavia suureita ovat esimerkiksi
lämpötila, paine, kiihtyvyys sekä kosteus. Tämä anturin mittaama suure muuttaa
jotakin anturin ominaisuutta. Yksi esimerkki on resistiivinen lämpötila-anturi.
Lämpötilan muuttuessa anturin resistanssi muuttuu joko suoraan lämpötilan funktiona
tai käänteisesti. Anturin resistanssia voidaan mitata kohtuullisen matkan päästä
mittausjärjestelmällä, johon voidaan kiinnittää useita antureita. Tähän liittyy kuitenkin
ongelmia, kuten siirtojohtojen resistanssi, joka pitää ottaa huomioon mitattaessa
anturisignaalia. Sähkölaitteet ja voimajohdot muodostavat ympäristöön sähkö- ja
magneettikenttiä, jotka voivat kytkeytyä mittausjärjestelmään aiheuttaen häiriöitä ja
virheitä mittaustuloksissa [1].
Joissain tilanteissa on edullisempaa muokata anturin esittämä viesti helpommin
siirrettävään formaattiin, kuten jänniteviestiksi, heti anturin läheisyydessä. Kun
anturia mittaava elektroniikka sijaitsee lähellä, voidaan heikko anturisignaali
vahvistaa välittömästi riittävän korkealle jännitetasolle. Tällöin siirtojohtojen
resistanssin vaikutus vähenee huomattavasti. Tällöin myös pienenee ulkoisten
häiriökenttien
aiheuttama
vääristymä
matalajännitteiseen
anturisignaaliin.
Esimerkkinä voidaan ajatella aiemmin mainittua resistiivistä lämpötila-anturia. Sen
sijaan, että järjestelmä mittaisi anturin resistanssia kaukaa, voidaan anturiin
integroidulla lähielektroniikalla suorittaa mittaus ja vahvistaa signaali. Vahvistettu
jänniteviesti voidaan lähettää sellaisenaan mittausjärjestelmälle tai se voidaan
edelleen muuntaa haluttuun formaattiin.
3
2.2.
Käyttökohteet
Integroituja antureita käytetään useilla aloilla kuten teollisuudessa sekä lääketieteessä.
Puolijohdeteknologian
kehitys
on
mahdollistanut
integroitujen
antureiden
valmistuksen piille, jolloin laitteiden koko on pienentynyt huomattavasti. Tämä on
mahdollistanut antureiden integroimisen suoraan laitteisiin. Integroituja antureita
käytetään esimerkiksi ympäristön lämpötilan ja kosteuden mittaamiseen niin tehtaissa
kuin kotitalouksissa. Lääketieteessä integroiduilla antureilla voidaan mitata monia
kehon fysikaalisia ilmiöitä. Autoteollisuudessa integroituja antureita käytetään
monissa auton järjestelmissä.
Tehtaissa ja kotitalouksissa voidaan samasta kohteesta haluta mitata useaa suuretta
samaan aikaan. Integroituun anturiin voidaan asentaa useita eri anturityyppejä
lähielektroniikan lisäksi ja lähettää mittausdata kootusti esimerkiksi digitaalisena.
Esimerkkinä tällaisesta usean anturin sisältävästä kokonaisuudesta on kuvassa 1
näkyvä Toumazin TZ1053AN-06–integroitu anturi [2]. Laite sisältää anturit
lämpötilan ja ilmankosteuden mittaamiseen sekä signaalinkäsittelyyn tarvittavan
elektroniikan. Laite pystyy mittaamaan lämpötiloja välillä -40 – +120 °C ja
suhteellista ilmankosteutta välillä 0 – 100 %. Siirtoformaattina laite käyttää yhtiön
omaa langatonta TELRAN-yhteyttä, joka toimii radioaalloilla ISM-taajuuksilla. ISMtaajuudet (Industrial, Scientific and Medical) ovat kansainvälisiä, vapaasti
käytettävissä olevia taajuusalueita [3].
Kuva 1. Toumazin integroitu anturi TZ1053AN-06 ympäristön lämpötilan ja
ilmankosteuden mittaamiseen.
4
Lääketieteessä integroituja antureita voidaan käyttää esimerkiksi kehon sähköisten
ilmiöiden, kuten EEG-signaalin, mittaamiseen. EEG (electroencephalography)
tarkoittaa aivojen sähköisten signaalien mittaamista. Eri taajuiset signaalit kootaan ja
niistä muodostetaan aivosähkökäyrä. Tällöin mitattavat signaalit ovat hyvin heikkoja,
yleensä välillä 10 – 100 mikrovolttia [4]. Mitattaessa heikkoja signaaleja on suuri
vaara, että ulkoiset häiriöt vääristävät mittausdataa. Anturin välittömään läheisyyteen
integroitu
signaalinkäsittelyelektroniikka
minimoi
häiriöiden
vaikutuksen.
Mittausviesti voidaan sitten vahvistaa ja lähettää eteenpäin.
Esimerkki tällaisesta integroidusta anturista voidaan nähdä kuvassa 2 [5]. Aivojen
signaalit mitataan perinteisesti päänahasta kiinnittämällä anturit siihen sähköä
johtavalla geelillä. Tässä metodissa antureiden kiinnitys vie paljon aikaa. Kiinnitys
tulee tehdä huolellisesti tarkan mittaustuloksen varmistamiseksi. Kuvan anturi ei
vaadi fyysistä yhteyttä ihon kanssa, vaan päänahan signaalit kytkeytyvät
kapasitiivisesti anturiin. Anturiin integroitu elektroniikka vahvistaa signaalin
välittömästi
virheiden
minimoimiseksi.
Suodattimien
avulla
vastaanotetusta
signaalista vahvistetaan ainoastaan haluttu taajuuskaista eli 1 – 100 hertsiä.
Vahvistettu ja suodatettu signaali muunnetaan digitaaliseksi ja mittaustieto voidaan
edelleen lähettää esimerkiksi tietokoneelle.
Kuva 2. Integroitu EEG-anturi aivosähkökäyrän mittaamiseen.
5
Puolijohdeteknologian valmistusmenetelmien kehitys on mahdollistanut integroitujen
antureiden pakkaamisen pienempään tilaan. Kuvassa 3 nähdään Michiganin yliopiston
kehittämä integroitu anturi massavirtausmittaukseen [6]. Laite on valmistettu yhdelle
piipalalle ja on mitoiltaan 3,5 mm kertaa 5 mm. Piiri sisältää anturit ja komponentit
virtausnopeuden, paineen sekä lämpötilan mittaamiseen. Laite pystyy mittaamaan
massavirtausta välillä
, painetta välillä 0 – 107 kilopascalia sekä
lämpötilaa välillä -40 – +120 °C.
Massavirtausmittausta käytetään kemikaali- ja autoteollisuudessa sekä kotitalouksissa.
Erilaisten kaasujen ja nesteiden virtausnopeuden mittaamista tarvitaan esimerkiksi
auton polttoaineensyötön säätelyssä tai kotitalouden kaasulämmityksen ohjauksessa.
Yleisin tapa mitata massavirtausnopeutta on käyttää termistä virtausmittausta [7].
Tässä metodissa virtaavaa ainetta lämmitetään ja sen lämpötilaa mitataan lämmittimen
molemmilta puolilta. Tiedettäessä mitattavan aineen fysikaaliset ominaisuudet,
voidaan lämpötilojen erotuksen avulla laskea aineen virtausnopeus.
Kuva 3. Integroitu anturi massavirtausmittaukseen.
6
Integroidut anturit ovat yhä tärkeämmässä roolissa myös autoteollisuudessa [8].
Sähköiset järjestelmät ovat lisääntyneet autoissa huomattavasti, sillä yhä useampaan
auton järjestelmään on liitetty elektroniikkaa tai sen ohjaus on siirretty kokonaan
tietokoneelle. Tietokoneen ohjaamia järjestelmiä voi olla ilmastointi, jarrutus- ja
ajonvakautusjärjestelmä sekä sytytys- ja polttoaineensyöttöjärjestelmä. Nämä kaikki
järjestelmät vaativat takaisinkytkennän, jotta säätäminen onnistuu. Integroituja
antureita käytetään näissä järjestelmissä tuomaan mittaustietoa tietokoneelle.
Turvallisuusjärjestelmissä,
kuten
ajonvakautuksessa,
käytetään
integroituja
kiihtyvyysantureita sekä gyroskooppeja. Nämä anturit tarkkailevat renkaiden pitoa ja
ohjauspyörän sekä auton asentoa. Mikäli esimerkiksi jyrkästi kaarrettaessa järjestelmä
huomaa auton menettävän pidon tai kallistuvan liikaa, pyrkii se palauttamaan auton
hallinnan jarruttamalla jotakin auton renkaista tilanteen edellyttämällä tavalla.
Turvatyynyjen toiminta perustuu myös integroitujen kiihtyvyysantureiden välittämään
mittaustietoon. Mikäli tietokone saa ilmoituksen yli ± 7 g:n kiihtyvyydestä, laukaisee
se turvatyynyt [9].
Kuvassa 4 on VTI:n kehittämä integroitu kolmiakselinen kiihtyvyysanturi SCA3100D04 [10]. Anturi pystyy mittaamaan ± 2 g:n kiihtyvyyksiä ja ulostulona se käyttää
SPI-väylää. SPI-väylä (Serial Peripheral Interface) on standardoitu digitaalinen
sarjaliikenneväylä. Anturi on kooltaan 7,0 mm kertaa 3,3 mm kertaa 8,6 mm.
SCA3100-D04 on suunniteltu autoteollisuuden tarpeisiin ja sitä voi käyttää
esimerkiksi autoissa ympärikaatumisen tunnistamiseen.
Kuva 4. VTI:n kehittämä integroitu kiihtyvyysanturi SCA3100-D04 autoteollisuuden
tarpeisiin.
7
3. Toimintaperiaatteet ja mittausmetodit
Integroitu anturi voidaan jakaa kolmeen osaan: anturiin, lähielektroniikkaan sekä
ulostuloon.
3.1.
Anturi
Anturi on mittalaitteen osa, joka havainnoi mitattavaa suuretta ja reagoi siihen.
Tyypillisesti anturissa on jokin fysikaalinen ominaisuus, joka muuttuu mitattavan
suureen funktiona. Tätä anturin ominaisuutta mitataan ja sen silloinen arvo kertoo
mitattavan suureen arvon [11]. Antureita on kahdenlaisia: generoivia ja moduloivia.
3.1.1. Generoiva anturi
Generoiva anturi tuottaa itse lähtösignaalin, joka voi olla esimerkiksi mitattavaan
suureeseen verrannollinen jännite tai virta. Esimerkki generoivasta anturista on
termopari. Termoparissa kahden eri metallin liitos synnyttää välilleen lämpötilasta
riippuvan jännitteen. Tätä jännitettä vertaamalla referenssilämpötilan jännitteeseen
saadaan kohteen lämpötila lasketuksi [12].
Toinen esimerkki generoivasta anturista on pyroanturi. Pyroanturi reagoi lämpötilan
vaihteluihin. Kun pyroanturin toinen pinta vastaanottaa enemmän valon infrapunaalueen energiaa, tuottaa se elektrodiensa välille jännitteen [13]. Tämän ominaisuuden
takia pyroanturia käytetäänkin usein liikkeentunnistimissa. Kuvassa 5 on Muratan
valmistama pyroanturi IRA-E712ST3 [14]. Anturin vaste 500 kelvinin mustalle
kappaleelle on 4,3 millivolttia.
Kuva 5. Muratan pyroanturi IRA-E712ST3.
8
3.1.2. Moduloiva anturi
Moduloiva anturi ei itse tuota lähtösignaalia, vaan sen lukemiseen tarvitaan erillinen
energialähde. Anturin fysikaalinen ominaisuus muuttuu mitattavan suureen funktiona,
mutta sen mittaamista varten tulee anturiin kytkeä esimerkiksi jännite. Esimerkki
moduloivasta anturista on termistori. Termistori on vastus, jonka resistanssi vaihtelee
lämpötilan mukaan. Mittaamalla termistorin silloista resistanssia saadaan kohteen
lämpötila selville.
Kuvassa 6 nähdään Vishayn kaksi eri mallia NTC 47k – anturista. NTC (Negative
Temperature Coefficient) on termistori, jonka resistanssi muuttuu lämpötilan
käänteisfunktiona. Kuvassa vasemmalla on pintaliitosversio ja oikealla läpiladottava
anturi. Pintaliitoskomponentit ovat usein kooltaan pienempiä kuin läpiladottavat
versiot, mutta omaavat vastaavasti pienemmän tehonkeston.
Kuva 6. NTC 47k-termistoreita, vasemmalla pintaliitosmalli ja oikealla läpiladottava.
Toinen esimerkki moduloivasta anturista on kapasitiivinen kiihtyvyysanturi [15].
Anturia voidaan käyttää siten, että se muuttaa esimerkiksi syötettävän signaalin
jännitettä tai taajuutta kiihtyvyyden funktiona. Yksinkertaisimmillaan tällaisessa
anturissa on kaksi levyä, jotka muodostavat kondensaattorin. Toinen levyistä on
kiinteä ja toinen on liitetty massaan, joka liikkuu kiihtyvyyden vaikutuksesta. Tämä
muuttaa anturin kapasitanssia. Kapasitiivinen kiihtyvyysanturi voidaan myös tehdä
siten, että kiinteiden elektrodien väliin ripustetaan kiihtyvyydestä liikkuva massa.
Massan liikkuessa toisen elektrodin ja massan välinen kapasitanssi suurenee samalla
kun toisen elektrodin ja massan välinen kapasitanssi pienenee.
Tällainen
9
differentiaalinen rakenne parantaa mittaustuloksen lineaarisuutta [16]. Kuvassa 7 on
yksinkertainen
rakennekuva
tällaisesta
differentiaalisesta
kapasitiivisesta
kiihtyvyysanturista. Anturin kiihtyvyyden osoittaessa alaspäin liikkuu massa ylöspäin
muuttaen sen ja elektrodien välisiä kapasitansseja.
Kuva 7. Rakennekuva differentiaalisesta kapasitiivisesta kiihtyvyysanturista.
10
3.2.
Lähielektroniikka
Lähielektroniikka erottaa integroidut anturit tavallisista antureista. Lähielektroniikka
mittaa anturia ja muodostaa tästä viestistä signaalin eteenpäin lähetettäväksi.
Tyypillisiä integroidun lähielektroniikan toimintoja ovat anturin mittaus, signaalin
vahvistus, signaalinmuunnos kuten analogia-digitaalimuunnos sekä häiriöiden
kompensointi. Usein lähielektroniikan tulee suodattaa ja stabiloida käyttöjännitettä,
mutta on myös olemassa integroituja antureita, jotka itse ohjaavat ja säätävät
käyttöjännitettä [17].
3.2.1. Käyttöjännite
Integroitu anturi tarvitsee toimiakseen käyttöjännitteen ja sen generointiin on käytössä
erilaisia ratkaisuja. Anturin käyttötarkoitus määrää usein jännitelähteen. Käyttöjännite
voidaan viedä integroidulle anturille omalla johdollaan tai mikäli laite käyttää
kommunikointiin digitaalista tietoliikenneväylää, kulkee johdossa usein datalinjojen
lisäksi käyttöjännitejohtimet. Langattomissa integroiduissa antureissa jännitelähteenä
on usein paristo tai akku. Tämä edellyttää kuitenkin anturilta matalaa tehonkulutusta
pitkän toiminta-ajan takaamiseksi.
Lääketieteen sovelluksissa, kuten kehoon implantoiduissa antureissa, on toivottavaa,
ettei laite sisällä tehonlähteitä eikä siihen ole kytkettynä johtimia [18]. Tällaisiin
sovelluksiin on kehitetty tekniikka, jossa anturi vastaanottaa käyttösähkönsä
tehonlähteeltä induktiivisella kytkeytymisellä. Toiminta perustuu siihen, että
tehonlähteen lähetinkelan muodostama RF-kenttä indusoituu integroidun anturin
vastaanottokelaan. Tämän jälkeen jännite tasasuunnataan ja säädetään laitteen
käyttöjännitteeksi. Samaa yhteyttä voi käyttää myös mittausdatan siirtämiseen.
Kuvassa 8 on integroitu paineanturi silmän sisäisen paineen mittaamiseen [19]. Anturi
on osa keinotekoista linssiä, joka asennetaan kirurgisesti silmän sisään. Laite saa
käyttösähkönsä RF-kentästä kelalla. Laitteen halkaisija on 10 millimetriä.
Mittaustiedot anturi lähettää langattomasti kannettavalle vastaanottimelle, joka
voidaan yhdistää tietokoneeseen.
11
Kuva 8. Integroitu anturi silmän sisäisen paineen mittaamiseen. Rengas linssin
ympärillä on käyttösähkön vastaanottamiseen käytettävä kela.
3.2.2. Anturin mittaus
Esimerkkinä lähielektroniikan toiminnasta anturisignaalin mittauksessa voidaan
käyttää lämpötilamittausta. Anturina voidaan käyttää luvussa 3.1.2 mainittua
termistoria. Termistorin resistanssi siis muuttuu lämpötilan funktiona. Resistanssin
mittaaminen pitkän matkan päästä ei kuitenkaan ole suotavaa, koska siirtojohtojen
resistanssi vääristää mittaustulosta. Anturin lähelle integroitu elektroniikka ratkaisee
tämän ongelman esimerkiksi syöttämällä anturin ja sen kanssa sarjaan asetetun
vastuksen yli jännitteen ja mittaamalla anturiin jäävää jännitettä. Jännitteestä voidaan
edelleen laskea anturin resistanssi. Näin anturin antama viesti on muunnettu
jänniteviestiksi. Esimerkin tapausta havainnollistaa piirikaavio kuvassa 9. Anturina on
käytetty termistoria, joka on moduloiva anturi ja siksi mittaaminen vaatii jännitteen
syöttämistä. Tällöin kytkentä tarvitsee kolme johdinta. Generoivaa anturia, kuten
termoparia, käytettäessä mitataan anturin kehittämää signaalia, johon riittää kaksi
johdinta.
Kuva 9. Piirikaavio, jossa anturisignaali
muutetaan jänniteviestiksi jännitejaolla.
12
3.2.3. Suodatus ja vahvistus
Mitattu anturisignaali vahvistetaan halutulle tasolle ja siitä suodatetaan pois eitoivotut komponentit kuten kohina [5][11]. Tämä tehdään käyttämällä suodatukseen
passiivisia komponentteja, kuten vastuksia ja kondensaattoreita, sekä vahvistukseen
operaatiovahvistimia. Esimerkki tällaisesta piiristä on kuvassa 10. Kuvassa vastuksien
ja
suhteella määrätään vahvistuksen suuruus. Suodatus tapahtuu siten, että
kondensaattori
ja
ja vastus
määräävät signaalin alarajataajuuden ja komponentit
määräävät ylärajataajuuden. Negatiivinen takaisinkytkentä invertoi signaalin,
joten jälkimmäisen operaatiovahvistinkytkennän tarkoitus on tässä ainoastaan
invertoida signaali takaisin.
Kuva 10. Piirikaavio, jossa anturisignaali suodatetaan ja vahvistetaan.
3.2.4. A/D-muunnos
Viesti voidaan muuntaa A/D–muuntimella digitaaliseen muotoon. A/D-muunnin
(analogia-digitaalimuunnin) on laite, joka muuntaa syötetyn analogisen signaalin
digitaaliseen muotoon eli suuruutta vastaavaksi bittiluvuksi. Tämä tapahtuu ottamalla
analogisesta
signaalista
näytteitä
halutulla
näytteenottotaajuudella.
Näytteenottotaajuus tulee olla vähintään kaksi kertaa niin suuri kuin signaalin suurin
taajuus, jotta alkuperäinen signaali pystytään muodostamaan uudelleen. Näytteille
annetaan bittiarvo sen amplitudin mukaan. Bittiarvon määrää A/D-muunnoksen
resoluutio eli kuinka monta bittiä on käytettävissä yhden analogisen signaalinäytteen
esittämiseen. A/D-muuntimen resoluutio ilmoitetaan yleensä biteillä: esimerkiksi 8bittisessä muuntimessa on näytesignaalin ilmaisemiseksi käytössä
[20].
arvoa
13
3.3.
Ulostulo
Integroiduissa antureissa käytettyjä ulostuloformaatteja on monenlaisia. Tyypillisiä
tapoja siirtää mittausdataa on analoginen jännite- tai virtaviesti, mutta käytössä on
myös standardoituja, digitaalisia väyliä kuten I²C sekä USB. I²C (Inter-Integrated
Circuit) sekä USB (Universal Serial Bus) ovat standardoituja digitaalisia
tietoliikenneväyliä. Sähköjohtimien sijaan dataa voidaan siirtää myös langattomasti
radioaalloilla.
3.3.1. Analoginen jännite- ja virtaviesti
Yksinkertainen tapa lähettää mittausdataa eteenpäin on ensin muuttaa se anturin
suureen kanssa verrannolliseksi analogiseksi jännite- tai virtaviestiksi. Yksi varsinkin
teollisuuden käyttämä siirtoformaatti on virtasilmukka, jossa integroitu anturi lähettää
mittausarvon virtaviestillä välillä 4 – 20 milliampeeria [21]. Toinen käytetty
siirtoformaatti on jänniteviesti, jossa anturisignaali on skaalattu välille 0 – 10 volttia.
Näistä kahdesta virtaviesti on joissain tapauksissa parempi ratkaisu, koska
siirtojohtimiin indusoitunut kohina ei vaikuta virtaviestiin niin paljon kuin
jänniteviestiin [22]. Toiseksi, virtaviestin alue ei ala nollasta, toisin kuin
jänniteviestillä. Tällöin järjestelmän vikaantuminen, kuten katkos siirtojohdossa,
voidaan havaita välittömästi.
3.3.2. Digitaalinen viesti
Analoginen signaali voidaan muuttaa digitaaliseen muotoon A/D – muuntimella,
jolloin viesti anturin mittaamasta arvosta kulkee siirtojohdossa bitteinä. Tässä on
etuina
muun
muassa
tiedonsiirrossa
tapahtuvien
virheiden
vähentäminen.
Digitaalisessa muodossa voidaan myös siirtää useaa mittaustietoa samaan aikaan,
mikäli integroidulla anturilla halutaan mitata useaa suuretta.
I²C on standardoitu väylä, jossa tieto kulkee digitaalisessa muodossa. Se on Philipsin
kehittelemä järjestelmä ja sen määrittelee nykyisin NXP [23]. Databitit kulkevat
siirtojohdossa sarjamuodossa, jolloin siirtojohtoja ei tarvita kuin kaksi kappaletta.
Tiedonsiirtonopeus perinteisessä I²C-väylässä on 100 kilobittiä sekunnissa, mutta
14
uudemmilla tekniikoilla voidaan saavuttaa jopa 3,4 megabitin sekuntinopeus. Väylään
kytketyt integroidut anturit saavat jokainen yksilöllisen osoitteen, jonka avulla
mittausjärjestelmän pääyksikkö kommunikoi yksittäisen mittayksikön kanssa.
Esimerkki tällaisesta integroidusta anturista on kuvassa 11 näkyvä NXP:n LM75B
[24]. Laite on lämpötilan mittaamiseen tarkoitettu mikropiiri. Se pystyy mittaamaan
lämpötiloja välillä -55 °C – +125 °C kolmen asteen tarkkuudella. Laite muuntaa
anturilta mitatun anturisignaalin A/D-muuntimella digitaaliseksi.
Kuva 11. NXP:n integroitu anturi LM75B lämpötilojen mittaamiseen sekä sen
sisäinen lohkokaavio [24].
USB on sarjamuotoinen tiedonsiirtoväylä [25]. Se on hyvin yleinen tietokoneissa,
joten markkinoilla on laaja valikoima integroituja antureita, joiden ulostulo on
suoraan USB–yhteensopiva. Näiden antureiden mittaamia arvoja voidaan suoraan
siirtää tietokoneelle luettavaksi tai tallennettavaksi. Datalinjoja on I²C-väylän tavoin
kaksi. USB 1.0-väylän perusnopeus on 12 megabittiä sekunnissa. Valittavissa on
myös hitaampi 1,5 megabitin nopeus, joka vähentää suojauksen tarvetta sekä
mahdollisesti vähentää laitteen valmistuskustannuksia. Uudemmissa versioissa
tiedonsiirtonopeus
on
suurempi:
USB
2.0
mahdollistaa
480
megabitin
sekuntinopeuden ja USB 3.0-väylässä nopeus voi olla jopa viisi gigabittiä sekunnissa.
Tämä on huomattavasti suurempi kuin I²C-väylässä. Datalinjojen lisäksi USB–
väylässä kulkee viiden voltin käyttöjännite sekä signaalimaa.
15
3.3.3. Langaton tiedonsiirto
Mikäli datan siirtämiseen ei haluta tai voida käyttää sähköjohtimia, voidaan käyttää
myös langatonta tiedonsiirtoa. Tällöin mittausdata liikkuu integroidulta anturilta
mittausyksikölle radioaalloilla. Yleisesti käytössä olevat teknologiat ovat ZigBee ja
Bluetooth
[26].
Molemmat
standardit
hyödyntävät
ISM:n
2,4
gigahertsin
taajuusaluetta, jonka käyttöön ei tarvitse lisenssiä.
Eroja näissä teknologioissa kuitenkin löytyy. Bluetooth tarjoaa suuremman
datanopeuden: ZigBeellä tiedonsiirtonopeus on parhaimmillaan 250 kilobittiä
sekunnissa, kun Bluetooth mahdollistaa yhden megabitin sekuntinopeuden. Toisaalta
ZigBeetä
käytettäessä
tehonkulutus
on
merkittävästi
pienempi:
riippuen
tiedonsiirtonopeuden tarpeesta ja yhteysetäisyydestä Bluetoothin tehonkulutus voi olla
kymmen- tai satakertainen ZigBeehen verrattuna. Pieni tehonkulutus on tärkeä asia,
varsinkin jos integroidun anturin on tarkoitus toimia paristolla tai akulla.
16
4. Valmistustekniikat
4.1.
Piirilevy
Yksinkertainen tapa valmistaa integroitu anturi on liittää samalle piirilevylle anturi
sekä lähielektroniikka. Tällöin komponentit ovat usein erillisiä. Esimerkki tällaisesta
integroidusta anturista nähtiin kuvassa 1. Hyvä puoli tällaisessa rakenteessa on, että
yksittäisiä komponentteja voidaan vikatilanteen sattuessa vaihtaa. Huono puoli on
suhteellisen suuri koko, koska useat erilliset komponentit sekä liitännät vaativat tilaa.
Komponentteina voi käyttää pintaliitosversioita tai läpiladottavia, joista esimerkit
nähtiin kuvassa 6. Pintaliitoskomponenttien käytön etu verrattuna läpiladottaviin on
muun muassa pieni koko. Tällöin piirilevy saadaan pienemmäksi kuin käytettäessä
läpiladottavia
komponentteja.
Pintaliitoskomponentit
soveltuvat
paremmin
automatisoituun massatuotantoon, joka pienentää laitteen valmistuskustannuksia.
Pienen koon takia pintaliitoskomponenttien tehonkesto ei ole niin suuri kuin
suurempien läpiladottavien [27].
Piirilevy sellaisenaan on suojaton kosketukselta, kosteudelta sekä pölyltä ja muilta
epäpuhtauksilta. Valmis piirilevy voidaan valaa epoksiin, joka luo piirilevyn
ympärille suojaavan kerroksen [27]. Kova epoksikerros tuo laitteelle kestävyyttä
iskuja vastaan.
4.2.
Mikropiiri
Mikäli integroidusta anturista halutaan tehdä mahdollisimman pienikokoinen, voidaan
koko laite valmistaa yhdeksi mikropiiriksi [6]. Mikropiiri on puolijohdemateriaalin
päälle erilaisin menetelmin valmistettu kokonaisuus. Esimerkki integroidusta anturista
mikropiirin muodossa nähtiin kuvassa 11. Mikropiirin etuja ovat pienen koon lisäksi
nykyisten valmistustekniikoiden mahdollistama massatuotanto. Tämä pienentää
yksittäisen laitteen hintaa, jolloin integroidun anturin vikaantuessa voidaan vaihtaa
koko laite. Usein samankaltaiset laitteet ovat koteloltaan ja liitinjärjestykseltään
identtisiä, jolloin on mahdollisuus käyttää toisen valmistajan antureita. Mikropiirissä
komponentit ovat lähempänä toisiaan kuin piirilevyllä, jolloin siirtojohtoihin
17
kytkeytyy vähemmän häiriökenttiä. Haittapuoli pienessä koossa on lähielektroniikassa
syntyvien tehohäviöiden tuottaman lämmön vaikutus mittaukseen.
Vanhin tapa valmistaa mikropiiri on kappalemikrotyöstö (bulk micromachining).
Siinä puolijohdemateriaaliin, yleensä piikappaleeseen, muodostetaan rakenteita
etsaamalla eli syövyttämällä puolijohdetta halutuista paikoista. Ne paikat, joiden ei
haluta syöpyvän, suojataan käyttämällä optista litografiaa, jossa maskilla suojataan
halutut paikat valotukselta. Tämä estää näiden kohtien syöpymisen etsauksen aikana.
Toinen,
uudempi
tapa
valmistaa
mikropiiri
on
pintamikrotyöstö
(surface
micromachining). Tämä eroaa aiemmasta siten, ettei substraatin sisälle muodosteta
rakenteita, vaan kaikki haluttu valmistetaan piilevyn pintaan kasvattamalla siihen
kerroksia ja etsaamalla niitä. Kuvassa 12 on pintamikrotyöstöllä valmistettu integroitu
kaasuanturi [28]. Anturi on suunniteltu mittaamaan kaasuja, joiden lämpötila on
välillä 200 – 400 °C. Laitteen tarkkuus mitattaessa hiilimonoksidin pitoisuuksia on
1,0 ppm.
Kuva 12. Pintamikrotyöstömenetelmällä valmistettu integroitu kaasuanturi
elektronimikroskooppikuvassa.
18
Piille voidaan valmistaa suoraan erilaisia anturityyppejä, perustuen piin fysikaalisiin
ominaisuuksiin [15]. Piipohjaisilla antureilla voidaan mitata lämpötilaa, säteilyä,
magneettikenttää, mekaanisia suureita kuten painetta ja kiihtyvyyttä sekä kemiallisia
suureita. Mikäli pii ei ole hyvä materiaali anturille, voidaan erillinen anturi kiinnittää
mikropiirille. Valmistuksen loppuvaiheessa puolijohdepiiriin yhdistetään liittimet ja
lopuksi kotelointi sulkee piirin sisäänsä.
19
5. Yhteenveto
Tässä työssä annettiin yleinen katsaus integroiduista antureista. Työssä määriteltiin
integroidut anturit terminä sekä esiteltiin yleisiä käyttökohteita. Integroidun anturin
rakenne käsiteltiin kertomalla käytössä olevista eri anturityypeistä, kuvailemalla
lähielektroniikan toimintaa sekä esittelemällä joitakin langallisia ja langattomia
ulostuloformaatteja.
Lisäksi
työssä
kuvailtiin
integroitujen
anturien
valmistustekniikat.
Integroidut anturit tarjoavat luotettavan keinon siirtää mittausdataa pitkän matkan
päähän. Toisin kuin tavalliset anturit, integroidut anturit käsittelevät mittausdatan
paikan päällä, muokkaavat signaalin haluttuun formaattiin ja lähettävät sen eteenpäin.
Datasiirto voidaan suorittaa monella eri keinolla kuten analogisena tai digitaalisena
jänniteviestinä, virtaviestinä tai langattomasti radioaalloilla.
Yksittäinen integroitu anturi voi mitata montaa eri suuretta ja lähettää nämä eteenpäin
kootusti digitaalisena viestinä. Integroitujen antureiden käyttämien standardoitujen
ulostuloformaattien ansiosta niitä voidaan kytkeä yhteen suureksi mittausverkostoksi.
Nämä asiat yhdistämällä voidaan kattaa esimerkiksi koko tehdaskompleksin
mittaustarpeet yhdellä järjestelmällä. Laitteet voivat kommunikoida digitaalisesti
johtimia pitkin tai mittausyksiköistä voidaan tehdä täysin langattomia käyttämällä
kommunikointiin radioaaltoja ja virtalähteenä akkuja tai paristoja.
Integroitujen antureiden käytön etuina on suurempi häiriönsietokyky, luotettava
tiedonsiirto sekä usean suureen mittaaminen samaan aikaan yhdellä laitteella.
Nykyaikainen puolijohteiden valmistusteknologia on mahdollistanut integroitujen
antureiden valmistamisen yhdelle piipalalle. Tämä puolestaan mahdollistaa niiden
edullisen massatuotannon ja laajentaa käyttökohteita.
20
Viiteluettelo
[1] Häkkinen, Esa. Fallström, Kim. Haapalinna, Atte. Häiriökysymykset: häiriöt
mittauksissa. Teknillinen korkeakoulu, 1997.
[2] Uche, C. ”Wireless Temperature and Humidity Sensor Using TELRAN.”
http://www.toumaz.com/uploadsv3/wysiwyg_editor/files/TZ1053AN_06%20V1_1Wireless-Temp-Humidity.pdf
[3 ] Finkenzeller, Klaus. RFID Handbook: Fundamentals and Applications in
Contactless Smart Cards, Radio Frequency Identification and Near-field
Communication. Wiley-Blackwell, 2010.
[4] Schomer, Donald L. Lopes Da Silva, Fernando. Niedermeyer's
Electroencephalography: Basic Principles, Clinical Applications, and Related Fields.
Lippincott Williams and Wilkins, 2011.
[5] Sullivan, Thomas J. Deiss, Stephen R. Cauwenberghs, Gert. “A Low-Noise, NonContact EEG/ECG Sensor.” Biomedical Circuits and Systems Conference,
2007.BIOCAS 2007.IEEE. 154 – 157.
[6] Wise, K.D. Najafi, K. “Microfabrication techniques for integrated sensors and
Microsystems.” Science, 1991. 254 1335-1342.
[7] Gardner, Julian W. Varadan, Vijay K. Awadelkarim, Osama O. Microsensors,
MEMS, and Smart Devices. Wiley, 2001.
[8] Korvink, Jan. Paul, Oliver. MEMS: A Practical Guide to Design, Analysis and
Applications. William Andrew, 2005.
[9] Aggarwal,Priyanka. Syed,Zainab. El-Sheimy,Naser. MEMS-Based Integrated
Navigation. Artech House Publishers, 2010.
[10] “SCA3100-D04 3-axis high performance accelerometer with digital SPI
interface.” http://www.vti.fi/sites/default/files/documents/sca3100d04_accelerometer_datasheet_82_688_00_d_0.pdf
[11] Wilson, Jon S. Sensor technology handbook. Newnes, 2004.
[12] Agilent Technologies. “Practical Temperature Measurements.”
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5965-7822E.pdf
[13] Webster, John G. The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook.
CRC Press 1998.
[14] “Pyroelectric Infrared Sensors.” http://datasheet.octopart.com/IRA-E712ST3Murata-datasheet-536358.pdf
21
[15] Fraden, Jacob. Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and
Applications. Springer, 2010.
[16] Tran Duc Tan. Modeling and simulation of the capacitive accelerometer. GRIN
Verlag, 2009.
[17] Schutz, Joseph D. Rash, Bill C. “Integrated circuit device that selects its own
supply voltage by controlling a power supply.” 1995.
[18] Von Arx, J.A. Najafi, K. “On-chip coils with integrated cores for remote
inductive powering of integrated microsystems.” Solid State Sensors and Actuators,
1997. TRANSDUCERS '97 Chicago., 1997 International Conference on. 999 - 1002
[19] Mokwa.W. “Medical implants based on microsystems.” Measurement Science
and Technology 18, 2007.
[20] Pelgrom, Marcel J. M. Analog-to-digital conversion. Springer, 2010.
[21] Mathivanan, N. PC-based instrumentation: concepts and practice. Prentice-Hall
of India Pvt.Ltd, 2007.
[22] Halang, Wolfgang A. Sacha, Krzysztof M. Real-time systems: implementation of
industrial computerised process automation. World Scientific Pub Co Inc, 1992.
[23] “UM10204 I2C-bus specification and user manual.”
http://www.nxp.com/documents/user_manual/UM10204.pdf
[24] “LM75B Digital temperature sensor and thermal watchdog.”
http://www.nxp.com/documents/data_sheet/LM75B.pdf
[25] Axelson, Jan. USB complete: everything you need to develop custom USB
peripherals. Lakeview Research, 2001.
[26] Ruiz-Garzia, L. Lunadei, L. Barreiro, P. Robla, J.I. “A Review of Wireless
Sensor Technologies and Applications in Agriculture and Food Industry: State of the
Art and Current Trends.” Sensors, 2009.94728-4750
[27] Williams, Tim. The circuit designer's companion. Newnes, 2004.
[28] Chan, Philip C.H. Yan, Gui-zhen.Sheng, Lie-yi. Sharma, Rajnish K. Tang,
Zhenan. Sin, Johnny K.O. Hsing, I-Ming. Wang, Yangyuan. “An integrated gas
sensor technology using surface micro-machining.” Sensors and Actuators B:
Chemical, 2002. 82 277-283.