Specializarea Ingineria și Managementul Materialelor Avansate [630831]

Universitatea “Transilvania” din Brașov
Facultatea Știința și Ingineria Materialelor
Specializarea Ingineria și Managementul Materialelor Avansate
An universitar 2019 -2020

Microsenzori și
microactuatori
Proiect Materiale multifunctionale pentru senzori si actuatori
Adina Urdă
IMMA 3181

Cuprins
1. Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 2
2. Aplicații ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 3
2.1 Micro -senzori de presiune ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 3
2.2 Micro -senzori de poziție și viteză ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 4
2.3 Micro -senzori de accelerație ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 4
2.4 Senzori chimici ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 5
2.5 Senzori de temperatură ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 6
2.6 Biosenzori ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 9
2.7 Actuatori ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 9
3. Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 12

1. Introducere

“Senzorii sunt dispozitive care preiau informația dintr -un anumit mediu, măsurând o anumită
mărime fizică caracteristică (mecanică, termică, chimică, etc) și care generează un semnal
proporțional cu mărimea măsurată.”[1] În funcție de semnalul măsurat, pute m menționa
următoarele categorii de senzori: termici, mecanici, magnetici, chimici, biologici , iar câteva
exemple uzuale sunt: senzori de accelerație, de temperatură, de proximitate, de tensiune, senzor
capacitiv.
Dezvoltarea tehnologiei creează tendința de a fabrica senzori din ce în ce mai mici și de a putea
integra un întreg sistem senzor într -un singur cip. Astfel a apărut conceputul de micro -senzori,
dispozitive care să prezinte volum și masă mici și costuri de producție scăzute, dar care totodată
trebuie să acorde utilizatorului un grad de încredere ridicat.
Industria care utilizează cel mai frecvent micro -senzori este industria automobilelor, dar
aplicațiile încep să fie diversificate și în alte industrii, spre exemplu în industria protecției mediului
sau industria medicală.
Actuatorii sunt dispozitive care realizează conversia unui semnal electric sau termic în lucru
mecanic sau căldură. O scurtă clasificare a actuatori lor, în funcție de principiul de funcționare ,
poate fi următoarea: actuatori clasic i și actuatori special i.
Principala componentă a unui actuator o constituie traductorul. Acesta este un dispozitiv care
transformă energia ne -electrică în energie electrică și invers (exemplu: transformarea energiei
cinetice de translație în energie cinetică de rotație).

Figură 1: Definirea unui actuator [2]
Micro -senzorii și micro -actuato ri fac parte dintr -o clasă numită MEMS
(microelectromechanical system) . Dimensiunea tipică pentru micro -senzori este între 10µ – 5 mm.
Aceștia pot fi considerați de ase menea traductoare în miniatură, deoarece transformă energia
mecanică în energie electrică.
Micro -senzorii se construiesc frecvent din sili con semi -conductor datorită proprietăților
mecanice excelente , dar se mai pot utiliza și alte materiale precum metale, plastic, polimeri, sti clă
sau materiale ceramice, depuse pe o bază de silicon.
Cu toate că dimensiunea și materialele utilizate îi recomandă pentru diverse aplicații,
micro -senzorii întâmpină totuși câteva probleme. Din cauz a capacitanței scăzute , semnalul de
ieșire este predispus destul de des la contaminări cu zgomot, iar astfel este necesară integrarea
micro -senzorului într -un circuit micro -electronic. Un alt aspect este că din cauza energiei cu
magnitudine mică , semnalul micro -senzorilor trebuie interceptat cu convertoare speciale analog –
digital.

2. Aplicații
2.1 Micro -senzori de presiune

Primii micro -senzori dezvoltați și utilizați în industri e au fost senzorii de presiune , datorită
construcției simple și aplicabilității diversificate în mecanică. Acești senzori convertesc presiunea
într-o mărime electrică sau într -o mărime intermediară (deplasare sau deformare mecanică).
Senzorul piezoelectric este un cip de siliciu integrat într-o membrană senzorială și care are
patru rezistențe din material piezoelectric , legate în punte pentru o mai bună liniaritate și
sensibilitate . La aplicarea unei presiuni, membrana se deformează și astfel modifică valorile
rezistențelor. Tensiunea rezultată este proporțională cu presiunea .
„Efectul piezoelectric este definit ca interacțiunea dintre efortul mecanic și câmpul/sarcinile
electrice, care are loc în materiale cristaline fără centru de simetrie . El poate fi direct – producerea
de sarcini electrice sau de potențial electric de către cristal ca efect al unei solicitări
mecanice /deformări mecanice sau invers – aplicarea unui câmp asupra cristalului produce o
deformare reversibilă a acestui a din urmă sau un efort proporțional cu câmpul electric aplicat. ”

Figură 2: Punte cu senzori [5]
Exemple de micro -senzori de presiune în industrie:
a. Micro -senzori pentru monitorizarea presiunii unui lichid într -un circuit → se utilizează
pentru măsurarea presiunii diferențiale în procesele în care un lichid trebuie să treacă
printr -un filtru sau să treacă de un obstacol.
b. Micro -senzori pentru măsurarea nivelului apei dintr -un rezervor → măsoară presiunea
hidrostatică a lichi dului, fiind plasat pe fundul unui rezervor.
c. Micro -senzori utilizați în industria aerospațială pentru determinarea altitudinii
barometrice sau pentru determinarea vitezei aeronavei față de aer.
d. Micro -senzor de presiune admisie aer → măsoară presiunea absolută a aerului din camera
de admisie din motor. Informația transmisă de senzor ajută la determinarea masei de
combustibil ce trebuie injectată.

2.2 Micro -senzori de poziție și viteză

După modul d e exprimare a mărimii deplasării, senzorii de poziție pot fi:
– Absoluți sau de poziție – “furnizează valoarea absolută a deplasării , ce corespunde poziției
curente a elementului mobil al cuplei cinematice considerată față de originea unui sistem
de coordonare atașat cuplei.” [6]
– Relativi sau de deplasare – “care dau mărimea relativă a deplasării , rezultată ca o diferență
a valorilor c orespunzătoare coordonatelor finale și inițiale ale elementului mobil. ” [6]
Exemple de senzori de poziție:
Potențiometrul este un dispozitiv folosit pentru măsurarea diferenței de potențial electric într –
un circuit și este cel mai utilizat dispozitiv ca se nzor de poziție. Căderea de potențial între două
puncte este direct proporțională cu distanța dintre cele două puncte, atunci când secțiunea
transversală a obiectului este uniformă.
Senzorii inductivi (de poziție și viteză) se bazează pe variația inductanței unei bobine
alimentate în curent alternativ. Modificarea inductanței are loc datorită modificării circuitului
magnetic prin deplasarea miezului bobinei sau a unei părți din miez. [12].
Senzori de p roximitate sunt folosiți pentru a detecta prezența sau absența unui obiect din
metal. La acești senzori, dispozitivul este alimentat de energie electrică, care determină un curent
alternativ să curgă într -o bobină. Când un obiect permeabil conductiv sau ma gnetic se apropie de
bobină, aceasta schimbă impedanța bobinei.

Figură 3: Principiul senzorului de proximitate [13]

2.3 Micro -senzori de accelerație

“Micro senzorii pentru accelerație vor ajuta la îmbunătățirea confortului, siguranței și calității
conducerii automobilelor. Totodată, ca ele să devină un produs de interes general, costurile lor de
producție trebuie să fie drastic scăzute. Ca și în cazul presiunii, accelerația este, de obicei, detectată
prin metode piezorezistive sau capacitive. Cel mai adesea este folosită o consolă elastică la care
este atașată o masă. Atunci când senzorul este accelerat, masa deplasează consola si deplasarea
este înregistrată de senzor. Acest tip de senzori folosesc metoda de măsu rare capacitivă pentru a
înregistra deviația.”[ 1]

Figură 4: Micro -senzor capacitiv [8]
“Pentru a măsura efectiv accelerația cu acest principiu, piezorezistorii sunt plasați în puncte
ale consolei unde se produce deplasarea maximă. Stabilitatea și precizia senzorului se
îmbunătățește cu creșterea numărului de piezoelemente. O altă metodă pentru a îmbunătăți
sensibilitatea este prin creșterea masei mobile. Centrul de greutate al masei trebuie sa fie cât mai
aproape de capătul consolei. Accelerația este determinată din variația rezistenței.“[ 1]

Figură 5: Microsenzor piezorezistiv

2.4 Senzori chimici

“Caracteristic pentru această categorie de senzori/traductoare este faptul că la baza procesului
de analiză stă o reacție electrochimică sau chimică, însoțită de anumite efecte, pe baza căreia se
poate determina concentrația în anumiți componenți de intere s, participanți la reacție. Unii dintre
componenți produc efecte specifice, iar alții produc efecte comune.
Cele mai interesante efecte electrochimice, care sunt folosite la identificarea componenților
participanți la reacție și la determinarea concentraț iilor acestora, sunt următoarele:
• Generarea unei diferențe de potențial electric, dependentă de caracterul și de concentrația în
anumiți componenți ai soluției analizate;
• Emisia unor radiații luminoase, dependente de concentrația soluției analizate în componenți
chemoluminescențe. Este cazul analizoarelor bazate pe chimiluminescență;

• Modificarea unui parametru al senzorului în funcție de concentrația mediului de analizat cu
care acesta intră în contact. Un astfel de fenomen stă la baza analizoarelor chem parametrice de tip
chem rezistiv;
• Electroliza componentului de interes din cadrul amestecului și determinarea cantității
(concentrației) acestuia pe baza cantității de electricitate consumate în acest scop.
Caracteristic pentru analizoarele electro chimice este faptul că senzorul acestor aparate este
realizat sub forma unui cuplu de doi, trei sau chiar patru electrozi, ce vin în contact direct cu
amestecul de analizat, care este de regulă o soluție electrolitică. În urma contactului dintre electrozi
și soluție se naște o tensiune electrochimică a cărei mărime este dependentă de compoziția chimică
a soluției, dar și de temperatura acesteia, de fenomenul de polarizare a electrozilor, precum și de
gradul de murdărire al acestora.
Din aceasta cauză anali zoarele trebuie prevăzute cu dispozitive de compensare a influenței
temperaturii și eventual cu dispozitive de curățire periodică a electrozilor. În această categorie de
aparate putem încadra analizoarele pentru determinarea factorului pH, pentru determina rea
potențialului REDOX (reducere -oxidare), pentru determinarea oxigenului și a altor gaze dizolvate
în soluții apoase ș.a. În ultimele decenii au apărut și și -au găsit o largă aplicabilitate senzorii
electrolitici de tip pile de combustie, care pot fi fol osiți în analizoare simple de gaze sau în structura
unor analizoare mai sofisticate.”[5]

2.5 Senzori de temperatură

Temperatura este una dintre cele mai comune mărimi măsurate. Pentru alegerea senzorilor de
temperatură se iau în considerare : aplicația pentru care se va utiliza senzorul, cerințele legate de
intervalul de temperatură ales, de timpul de răspuns, sensibilitate , timp de utilizare și mai ales de
costuri.
A. Senzori rezistivi RTD → modificarea rezistenței materialului este declanșată de
schimbările de temperatură. Conform standardelor, avem senzori Pt100, Pt500 sau
Pt1000, ceea ce înseamnă că materialul utilizat este Platina iar rezistența lor nominală la
temperatura de 0°C este 100Ω. 500Ω respectiv 1000Ω. [10]

Figură 6: Circuite de măsurare pentru senzorii RTD [10]

B. Senzori termistor → sunt realizați din materiale metalo -ceramice care au coeficienți de
temperatură ridicați. Există senzori NTC la care temperatura determină scăderea
rezistenței și senzori PTC la care rezistența este proporțională cu creșterea temperaturii.
Sensibilitatea acestor senzori este între 50°C -125°C.
C. Senzori termoelectrici → “se bazează pe efectul Seebeck , care constă în apariția unei
forțe termoelectrice într -un circuit electric în care se află două joncțiuni din metale sau
aliaje de metal. Valoarea forței depinde de diferența dintre temperaturile joncțiunilor și de
tipul acestora. Sudura caldă este joncțiunea de măsurare, iar capetele libe re ale
conductoarelor creează punctul de referință.” [10]
D. Senzori pirometrici → senzori fără contact, care nu trebuie să schimbe căldură cu
obiectul măsurat pentru a putea oferi date. Acești senzori convertesc radiația termică
emisă de corpul măsurat, afla tă în spectrul radiațiilor infraroșu și vizibil. Pot efectua
măsurători în intervalul de temperatură 50°C – 3000 °C, având nevoie de maxim 1
secundă pentru măsurare.
E. Senzori cu fibră optică – figura 7.

Tabel 1: Comparație între senzorii termici
Caracteristică Termorezistoare
RTD Termoelemente TC Termistori
NTC/PTC Pirometre
Interval de
măsură potențial -200°C ÷ 850°C -260°C ÷ 1800°C -80°C ÷ 150°C -50°C ÷ 3000°C
Precizie standard <0,5% 0,5% ÷ 2,5% <5% <5%
Stabilitate mare medie medie medie
Caracteristici
dinamice medie mare mică mare
Sensibilitate medie mică mare mică
Liniaritate mare medie mică mică
Cost
senzor/sistem de
măsură medie mică medie medie
Proprietăți de
aplicare Precizie ridicată,
senzori etalonați , Temperaturi înalte,
dinamică ridicată Precizie
ridicată,
economici Măsurare fără
contact, temperaturi
înalte, dinamică
ridicată

Figură 7: Schema unui termometru cu fibră optică [ 3]

“Un senzor de temperatură de contact tipic va fi format din următoarele părți componente:

1. Un element senzitiv – un material ce -și modifică proprietățile in funcție de temperatură.
Materialul trebuie să aibă căldură specifică mică, conductivitate termic ă ridicată, sensibilitate
mare la temperatură și o bună predictibilitate.
2. Contactele sunt fire sau plăci conductive ce asigura interfața dintre elementul senzitiv și
circuitul electronic exterior. Contactele trebuie să aibă o conductivitate termică și o rezistență
electrică cât mai mică. În general se folosesc și pentru susținerea senzorului.
3. Un strat protector ce separă fizic elementul senzitiv de mediul exterior . Materialul
protector trebuie să aibă rezistență termică mică, să fie un bun izolator electric și să fie
impermeabil .” [9]

Senzor de temperatură motor (ECT)
Senzorul de temperatură este de tip termistor, introdus în blocul motor, și care monitorizează
temperatura lichidului de răcire al motorului . Informația furnizată de senzorul de temperatură
este utilizată de calculatorul de injecție în principal pentru controlul turației de ralanti și pentru
controlul îmbogățirii amestecului (raportul aer -combustibil), mai ales în faza de pornire a
motorului [11] .

Figură 8: Eleme ntele componente ale unui senzor de temperatură motor. 1 -conectror de plastic, 2 -carcasă metalică, 4 -contacte
electrice. Termistorul se află în interior [11]

Figură 9: Caracteristica senzorului de temperatură a motorului [11]

2.6 Biosenzori

”Un biosenzor este o entitate alcătuită dintr -un bioreceptor, BR, și dintr -un bioconvertor, BC.
Bioreceptorul este constituit din biomolecule care recunosc un analit țintă și reacționează cu acesta,
producând transformări fizice și chimice spec ifice, iar bioconvertorul transpune aceste
transformări pe un semnal măsurabil. Pentru a obține aceste transformări este suficient ca senzorul
să intre în contact cu analitul.” Dintre tipurile de bioreceptori menționăm: enzimele, anticorpii,
proteinele rec eptive. Biosenzorii pot fi folosiți în medicină, în controlul proceselor biochimice
industriale și de laborator, în securitate și protecție civilă, cât și în protecția mediului.

Figură 10: Structura unui biosenzor [7]

2.7 Actuatori

Figură 11: Structura generală a unui actuator [8]
Caracteristici generale ale actuatorilor:
– Efectul dimensiunilor asupra forțelor → micșorarea dimensiunilor elementelor de execuție
influenț
– ează mărimea cuplului dezvoltat.

– Creșterea rezistenței materialelor utilizate → materiale cu proprietăți mecanice deosebite
au caracteristici de rezistență de până la 1000 de ori mai mari (monocristale compara tiv cu
policristale) .
– Efectul semnificativ al suprafețelor → la nivel nanotehnologic, efectele legate de suprafață
predomină în raport cu cele legate de volum (adeziune, frecare, tensiune de suprafață
predomină în raport cu inerția).
– Scăderea preciziei de prelucrare ;
– Dependența viteză -dimensiuni.
Clasificarea actuatorilor se poate face astfel:
– Actuatori comandați termic : pe bază de dilatare a gazelor și solidel or sau pe bază de
transformare de fază.
– Actuatori comandați electric: electrostatici, piezoelectrici .
– Actuatori comandați optic.
– Actuatori comandați magnetic.
– Actuatori comandați chimic.
– Actuatori bazați pe fenomene fizice.

Funcționarea micro -actuatorilor termici se bazează pe modificarea temperaturii: atunci când
temperatura se modifică datorită unui încălzitor încorporat, micro -actuatorul se deplasează din
cauza diferenței de expansiune asociată cu diferența de temperatură.

Figură 12: Exemple de microactuatori termici. a -bimaterial, b -bent -beam,c -flexibil [14]

Tehnologiile MEMS (micro -electromechanical Systems) au fost numite tehnologiile care vor
revoluționa secolul 21 și sunt utilizate pentru a crea dispozitive sau sisteme integrate, de
dimensiuni foarte mici, combinând componente mecanice și electrice.
Micro-senzo rii si micro -actuatorii sunt fabricați utilizând tehnica de realizare a circuitelor
integra te combinată cu tehnici de micro -prelucrări ale materialelor. Se exploateaz ă în prin cipal
proprietățile elect rice ale siliciului, dar și cele mecanice. De asemenea, se iau în considerare și alte
materiale semi conductoare.

Se aleg materiale în funcție de aplicații, dar se ține cont de proprietățile de selectivitate și de
aderare a mic rostructurii . Există astfel materiale pentru substrat și materiale folosite la depunere.
Cel mai important material folosit ca substrat este siliciul, fiind un cristal covalent cu o
structură diamant și rețea cristalină cubică. Acesta are un punct de topire la 1400 °C și este stabi l
dimensional la temperaturi î nalte.
Alte materiale care se utilizează ca substrat în aplicațiile MEMS sunt metalele (Cu,Al,Ni,Ti),
compuși metalici (TiN), aliaje (TiNi ), materiale ceramice, polimeri. Acestea se depun su b form ă
de str aturi subț iri pe pl ăcuțele utilizate ca substrat.

Figură 13: Procesul P ECVD

3. Bibliografie

1. http://telecom.etc.tuiasi.ro/telecom/staff/dionescu/MEMS%20referate/Microsenzori_de_acc_I
rimia%20Dragos_incomplet.pdf
2. http://mec.upt.ro/dolga/SAII_14.pdf
3. https://doi.org/10.1016/B978 -0-12-8008 84-3.00013 -7
4. https://doi.org/10.1533/9780857099297.2.305
5. http://ac.upg -ploiesti.ro/master/sim.pdf
6. http://webbut.unitbv.ro/Carti%20on -line/BSM/BSM/capitol4.pdf
7. https://www.surfix.nl/applications/biosensors
8. https://mec.tuiasi.ro/diverse/Curs_Actuatori_Neconv.pdf
9. http://docshare01.docshare.tips/files/31704/317045255.pdf
10. https://axiomet.eu/ro/ro/page/2096/Metode -de-masu rare-si-senzori -de-temperatura/
11. http://www.e -automobile.ro/categorie -electronica/12 -senzor -temperatura -motor.html
12. http://users.utcluj.ro/~mbirlea/z/06z.htm
13. https://www.electronics -tutorials.ws/io/io_2.html
14. https://www.intechopen.com/ books/microelectromechanical -systems -and-devices/thermal –
microactuators