V teoretiˇcnih izhodiˇsˇcih (poglavje 2.5) je bila omenjena in obrazloˇzena obˇcutljivost piezouporovnega senzorja na temperaturne spremembe. Za prvi test smo uporabili no-silec, opisan v poglavju dodatnih testov 3.5.1. Nanj sta bila na klasiˇcen naˇcin pritrjena dva piezouporovna senzorja in dva integrirana senzorja 1. Za vsak senzor je bilo enkrat uporabljeno lepilo LOCTITE in drugiˇc lepilo UHU. Nosilec smo postavili v tempera-turno komoro V¨otsch VCL 7010. Z merilno kartico smo nato zajemali izhodni signal vseh senzorjev. Za meritev temperature smo uporabljali termoˇclen, katerega sonde so bile priˇcvrˇsˇcene na mesta blizu senzorjev. Zaradi krmiljenja se temperaturna komora namreˇc pogosto ni ustalila na toˇcno nastavljeni vrednosti. S tem smo zagotovili toˇcne meritve temperature in poskrbeli, da je imel nosilec enako temperaturo kot okoliˇski zrak. V prvem testu smo spreminjali temperaturo od 0 do 60°C in nato nazaj. Grafi rezultatov meritev so prikazani na sliki 4.5, na njih so oznaˇcene puˇsˇcice, ki kaˇzejo potek eksperimenta. Zaˇcetna toˇcka je v vseh primerih enaka 0, saj smo to doloˇcili z upoˇstevanjem izhodiˇsˇcnega odmika izhodnega signala. Opaziti je mogoˇce, da se je vsak izmed senzorjev odzval po drugaˇcni karakteristiki.
20 30 40 50 60 70 80
(b) UHU - integrirani senzor 1
20 30 40 50 60 70 80
(d) LOCTITE - integrirani senzor 1 Slika 4.5: Vpliv temperature na izhodni signal piezouporovnih senzorjev, pritrjenih z
razliˇcnimi lepili.
Rezultati in diskusija
Na grafu 4.5 je mogoˇce opaziti razliˇcne pojave, ki nudijo vpogled v celostni vpliv, ki ga ima temperatura na senzor. V primeru (a) je ta karakteristika zelo poloˇzna. V primeru (d) je karakteristika izhodnega signala v odvisnosti od temperature linearna.
V primerih (b) in (c) pa karakteristika nima oˇcitnega trenda in se ob ohlajanju sploh ne vrne v izhodiˇsˇcno vrednost. Primera (a) in (b) kaˇzeta na to, da bi bilo odvisnost od temperature treba izmeriti za vsak posamezen element in jo nato aktivno kompen-zirati. Primera (b) in (c) sta pokazala nepredvidljivo odvisnost izhodnega signala od temperature. Ce cikel sprememb temperature povzroˇˇ ci dejanski preskok izhodiˇsˇcne napetosti merilnika, je to v konˇcnih aplikacijah zelo teˇzko nadzirati. Obenem med primeroma ni bilo nobenih enakih dejavnikov. Uporabljeni sta bili razliˇcni lepili in hkrati sta bili obliki senzorjev drugaˇcni. Da bi ta pojav dodatno raziskali, smo izvedli dodaten eksperiment, opisan v nadaljevanju.
Vzeli smo tri tiskanine z integriranimi piezouporovnimi senzorji (integrirani senzorji 1) in jih samostojno postavili v temperaturno komoro. Tako smo se izognili dejavnikom, kot sta lepilo ali konstrukcija. Meritev smo v tem primeru izvedli na obmoˇcju med 0 in 100 °C. Eden izmed senzorjev je kazal linearno karakteristiko, podobno primeru (d) na sliki 4.5. V drugih dveh pojavih smo dobili pojav, prikazan na sliki 4.6. Vidno je torej jasno padanje senzorja, ki nato preskoˇci na novo odvisnostno krivuljo. V obeh primerih smo ta pojav pojasnili z mehanskim dogajanjem v lepilu med piezouporov-nim elementom in tiskanino. Alternativno razlago bi lahko predstavljala relaksacija mehanskih napetosti v sami zalivki. Ob vnoviˇcnem segrevanju je namreˇc primer (b) kazal povsem enako karakteristiko kot na sliki 4.6 pri spreminjanju temperature od 100 °C do 0 °C. Po vzpostavitvi ravnovesnega stanja v lepilu ali zalivki je imel senzor obvladljivo karakteristiko. V primeru uporabe lepil ali zalivk je po izdelavi torej treba poskrbeti, da se v njih vzpostavi ravnovesno stanje.
0 20 40 60 80 100
Slika 4.6: Primer spreminjanja izhodiˇsˇcne vrednosti signala v odvisnosti od temperature za dva integrirana senzorja 1.
Rezultati in diskusija Pri dodatnih testih segrevanja in ohlajanja smo pojav preskoka izhodiˇsˇcne napetosti opazili za primer (a). Njegova temperaturna odvisnost je prikazana na grafu 4.7. V tem primeru smo segrevanje in ohlajanje na obmoˇcju 0–80 °C izvedli dvakrat.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
T/°C 2
0 2 4 6 8 10 12
U/mV
Slika 4.7: Prikaz temperaturne odvisnosti piezoupora na integriranem senzorju 1, ki izkazuje preskoke izhodne napetosti.
Senzor smo si ogledali pod mikroskopom in opazili umazano zgornjo povrˇsino, ki je prikazana levo na sliki 4.8. Sklepali smo, da se lahko ti delci elektriˇcno nabijejo in tako povzroˇcajo kapacitiven spoj nad posameznim piezouporom na senzorju. Ta nato lahko vpliva na ˇstevilo nosilcev toka in s tem tudi spreminja upornost, ki povzroˇci preskok izhodne napetosti senzorja. Povrˇsino senzorja smo previdno oˇcistili z denaturiranim ˇspiritom in deionizirano vodo. Oˇciˇsˇcen senzor je prikazan desno na sliki 4.8.
Neo iš en senzor O iš en senzor
Slika 4.8: Prikaz slike povrˇsine piezouporovnega elementa: umazan (levo) in oˇciˇsˇcen (desno).
Rezultati in diskusija
Ponovno smo izvedli cikel segrevanja in ohlajanja ter dobili spremembo temperaturne odvisnosti, ki jo prikazuje desni graf na sliki 4.9. Ob primerjavi z grafom na levi (slika 4.9) je vidno, da se je po ˇciˇsˇcenju odvisnost povsem stabilizirala in izkazuje linearno spremembo. To je mogoˇce enostavno izmeriti in tudi kompenzirati. Postopek segre-vanja je v komori povzroˇcal, da so se delci na povrˇsini piezoupora elektriˇcno nabili in povzroˇcali nepredvidljive skoke izhodnega signala. Ta pojav se je verjetno pogosto zgodil tudi pri preostalih meritvah, vendar ga zaradi ˇstevilnih razliˇcnih zunanjih dejav-nikov nismo prepoznali. Za predvidljive meritve je torej treba zaˇsˇciti zgornjo povrˇsino piezouporovnega elementa. Ob zagotovitvi ustrezne zaˇsˇcite pred tvorbo kapacitivnih spojev je karakteristiko posameznega piezouporovnega senzorja mogoˇce izmeriti in ak-tivno kompenzirati.
Slika 4.9: Odvisnost izhodnega signala od temperature pred ˇciˇsˇcenjem (a) in po ˇciˇsˇcenju (b).
Diskusija
S tem testom smo torej dokazali, da je temperaturna spremenljivost senzorja prisotna kljub temu, da so piezoupori na elementu vezani v Wheatstonov mostiˇc. Opozoriti je treba, da bi brez mostiˇcne vezave najverjetneje imeli ˇse znatno veˇcje temperaturne spremembe izhodnega signala. Test je pokazal, da bo za doseganje veˇcjih toˇcnosti treba umeriti vsak piezouporovni senzor posebej. To lahko pomeni dodatne operacije pri sami izdelavi senzorja, kot tudi zahtevo po dodatnem krmilniku, ki bo omogoˇcal ustrezno kompenzacijo temperaturnega vpliva. Med proizvodnjo je treba tudi poskr-beti, da vsi elementi senzorja s staliˇsˇca temperature doseˇzejo stacionarno stanje. V primeru naknadnih strjevanj lepila ali relaksacije zalivke lahko to namreˇc povzroˇci popolnoma napaˇcne meritve. Dodatno teˇzavo povzroˇcajo tudi neˇcistoˇce na povrˇsini senzorja. Ustrezna reˇsitev je zaˇsˇcita povrˇsine z zalivko ali lakom. Na grafu 4.9 (b) je namreˇc vidno, da postane temperaturna karakteristika senzorja linearna in znatno bolj obvladljiva zgolj po ustreznem postopku ˇciˇsˇcenja in izvedbi temperaturnega cikla. Z dodatnimi testi je treba preveriti, ali lahko kontroliran proces izdelave doseˇze takˇsno karakteristiko pri vseh senzorjih. Izmerjena relativna sprememba izhodne napetosti je v kontekst celotnega merilnega obmoˇcja senzorja postavljena v naslednjem poglavju.
Rezultati in diskusija