Унапређење интелигентих индустријских мерних инструмената са МЕМС сензорима

Abstract

Примена сензора је у наглом порасту у свим областима живота и рада. Све је већи број физичких, али и других (хемијских, биолошких) величина које је потребно мерити, уз растуће захтеве у погледу функционалности и мерних перформанси уређаја и уз истовремено смањење димензија, цене и потрошње енергије. Појавом микроелектромеханичких технологија и система (МЕМС), почело је ново раздобље у развоју сензора, које и данас траје. Сензори које је тим технологијама могуће реализовати по карактеристикама су упоредиви или бољи од конвенционалних, а малих су димензија и погодни за јефтину масовну производњу. Конвергенцијом сензорских, рачунарских и комуникационих технологија настали су интелигентни инструменти и дистрибуирани сензорски системи, чиме се достиже нови ниво функционалности и перформанси. Научна истраживања у области сензора, мерних метода и инструмената су због тога веома актуелна и имају све израженији мултидисциплинарни карактер.Циљ истраживања обухваћених овом дисертацијом је унапређење функционалности и перформанси интелигентних индустријских мерних инструмената заснованих на постојећим и новим МЕМС сензорима, посебно на онима који се развијају и производе у Центру за микроелектронске технологије Института за Хемију, технологију и металургију. Пошто једино свеобухватни приступ, од теоријских истраживања, преко развоја сензора и обраде сигнала до готовог мерног инструмента, може да пружи квалитетан резултат употребљив у пракси, ова дисертација је конципирана тако да садржи све те елементе.У дисертацији је дат преглед МЕМС технологија и сензора, где је тежиште на МЕМС сензорима механичких величина, а нарочито на пиезоотпорним сензорима притиска. Као допринос значајан за ту област, приказани су резултати експерименталног истраживања електричних карактеристика МЕМС структура израђених на флексибилним супстратима, од посебног интереса за примене МЕМС сензора у медицинским имплантима, протезама, одећи, као и у роботици. Од нових МЕМС сензора који се истражују у Центру и другим научним установама у свету, као посебно значајни се издвајају сензори хемијских и биолошких величина, чији се принцип рада заснива на адсорпцији честица. У овој...

The use of sensors is rapidly growing in all fields of industry, as well as in everyday life. There is an increasing number of physical and other (chemical, biological) quantities that have to be measured with increasing demands regarding the instrument functionality and measurement performance, and with simultaneous decrease in their dimensions, cost and power consumption. The emergence of micro-electro-mechanical (MEMS) technologies has started a new era in sensor development. Compared to conventional sensors, the sensors based on these technologies are of comparable or superior characteristics, but of miniature dimensions and suitable for inexpensive mass-production. The convergence of sensor, computer and communication technologies has led to the development of intelligent instrumentation and distributed sensor systems, enabling a new level of functionality and performance. The research topics in the fields of sensors, measurement methods and instruments are therefore of great scientific interest, and have an increasingly interdisciplinary character.The objective of the research described in this dissertation is the improvement of both the functionality and the performance of intelligent industrial measurement instruments based on the existing and novel MEMS sensors, especially those developed and produced by the Center of microelectronic Technologies (Institute of Chemistry, Technology and Metallurgy, University of Belgrade, Serbia). Since only a comprehensive approach, from theoretic research, sensor development and signal processing to the finished instrument, can yield high-quality and practically viable results, the dissertation is composed so that it includes all these elements.In this dissertation, an overview is given of MEMS technologies and sensors, with an emphasis on mechanical MEMS sensors, and especially on piezoresistive pressure sensors. As a contribution relevant to this field, the results are presented of the experimental research of electrical characteristics of MEMS structures fabricated on flexible substrates. They are of particular interest for MEMS sensors applications in medical implants, prostheses, clothing, and robotics. Of the new MEMS sensors in development at the Center, as well as in other research centers worldwide, chemical...