Sensors And Measurement Systems at Bremen | Flashcards & Summaries

Lernmaterialien für Sensors and Measurement systems an der Bremen

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TESTE DEIN WISSEN

How do I measure the thickness of a film made of
– Copper
– Silicon oxide?

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TESTE DEIN WISSEN

– Copper
Metal Films: Measuring Sheet Resistance


– Silicon oxide?
Dielectric Films: Interferometers

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TESTE DEIN WISSEN

Name three distortions of the sensor output caused by slow response.

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TESTE DEIN WISSEN

1. Phase shift: The electric signal will be a little later than the measured physical effect.


2. Reduced sensitivity: The electric signal will not reach the full amplitude.


3. Signal distortion: A rectangular signal will be distorted in the form of a “shark fin”.

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TESTE DEIN WISSEN

What is the difference between accuracy and resolution?

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TESTE DEIN WISSEN

Accuracy is the maximum difference between the sensor output and the physically true value, which is guaranteed by the supplier under all specified circumstances (e.g., working temperature: -40 ◦C to +120 ◦C).

The resolution can be measured. The accuracy is specified by the supplier.


The resolution is the smallest signal that can be distinguished from a neighboring value. Limits of resolution may be:

– Noise
– Number of bits in A/D conversion
– Number of decimal places on the display

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TESTE DEIN WISSEN
Explain the thermoelectric effect
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TESTE DEIN WISSEN
Unter Thermoelektrizität versteht man die gegenseitige Beeinflussung von
Temperatur und Elektrizität und ihre Umsetzung ineinander.
Bei einem Stromkreis aus 2 verschiedenen Leitern entsteht bei einer
Temperaturdifferenz zwischen zwei Kontaktstellen eine Elektrische
Spannung.
U = k_AB(T1 − T2)
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TESTE DEIN WISSEN
Write down Nyquist’s equation for thermal noise.
Explain the terms
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TESTE DEIN WISSEN
U_N = sqrt( 4 k_B R T ∆f )
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TESTE DEIN WISSEN
Bolzmankonstante = Konstant
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TESTE DEIN WISSEN
- Der Wiederstand R erhöht die Rauschspannung

- Die Temperatur T erhöht die Rauschspannung

- Die Bandbreite erhöht die Rauschspannung
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TESTE DEIN WISSEN
How does a thermopile work? (Thermosäule)
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TESTE DEIN WISSEN
It uses the thermoelectric effect!

Eine Thermosäule oder Thermokette ist ein elektrisches Bauelement, das thermische Energie in elektrische Energie wandelt. Es besteht aus mehreren Thermoelementen, die thermisch parallel und elektrisch in
Reihe geschaltet sind, wodurch die sehr geringen Thermospannungen addiert werden.
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TESTE DEIN WISSEN

What material do we use for the thermopile membrane? Why?

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TESTE DEIN WISSEN

membrane from very thin (300 nm) silicon nitride
Nichtleitend sonst Kurzschluss, Standartprozess, Geringe Termische leitfähigkeit, hohe intrinsische
Zugspannung, Chemisch stabiel => widerstandsfähig gegen chemisches ätzen

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TESTE DEIN WISSEN

What do we use as thermocouple material in the thermopile? Why?

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TESTE DEIN WISSEN

polysilicon versus tungsten–titanium oder Aluminium


- polysilicon- Hoher Thermoelektrischer Koeffizient, Standartprozess (keine Verunreinigung)


- Aluminium Niedriger Thermoelektrischer Koeffizient


- tungsten–titanium - Nidriger Thermoelektrischer Koeffizient (+Hohe temperaturen)

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TESTE DEIN WISSEN

What can we learn for noise reduction from this formula?


U_N = sqrt( 4 k_B R T ∆f )

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TESTE DEIN WISSEN

- möglichst kleiner Widerstand

- Sensor kühlen
- keine unnötig hohe Bandbreite


T: The noise increases with temperature, since the movement of the electrons increases with temperature. Thus, the noise can be reduced by cooling the sensor. This is done in laboratory equipment. When thermopiles are used for IR spectroscopy or astronomy, they are cooled with liquid nitrogen to 77 K.


R: Due to Ohms law, the noise increases with the resistivity of the sensor. Unfortunately, the thermopile has a high internal resistivity due to the interconnects in thin-film technology and due to the many contacts between the two metals. A typical value is 50 kΩ. Therefore, we would like to make sensors with less resistance to reduce Nyquist noise. We could reduce the number of thermopairs in a thermopile, let us say, in half (1/2). The noise would reduce to 1/√ 2 = 71%, but the sensitivity would reduce to 50%. Obviously, it does not pay out.


∆f: The noise increases with the bandwidth of measurement. To reduce noise, the bandwidth can be reduced using a filter (like the “treble” filter in an audio amplifier). There is a trade-off between noise and response time. Small bandwidth reduces noise, but increases response time

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TESTE DEIN WISSEN
Explain the Thermoresistive Effect
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TESTE DEIN WISSEN
Der Wiederstand eines Leiters ist Themperaturabhängig
R = R0(1 + α∆T + β∆T^2 + . . .)
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TESTE DEIN WISSEN
Effect Measurand Response
  • Thermoelectric
  • Thermoresistive T  
  • Pyroelectric 
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TESTE DEIN WISSEN
Thermoelectric: ∆T Temperature difference U Voltage 

Thermoresistive: T Absolute temperature R Resistivity

Pyroelectric: dT/dt Change of temperature with time
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Q:

How do I measure the thickness of a film made of
– Copper
– Silicon oxide?

A:

– Copper
Metal Films: Measuring Sheet Resistance


– Silicon oxide?
Dielectric Films: Interferometers

Q:

Name three distortions of the sensor output caused by slow response.

A:

1. Phase shift: The electric signal will be a little later than the measured physical effect.


2. Reduced sensitivity: The electric signal will not reach the full amplitude.


3. Signal distortion: A rectangular signal will be distorted in the form of a “shark fin”.

Q:

What is the difference between accuracy and resolution?

A:

Accuracy is the maximum difference between the sensor output and the physically true value, which is guaranteed by the supplier under all specified circumstances (e.g., working temperature: -40 ◦C to +120 ◦C).

The resolution can be measured. The accuracy is specified by the supplier.


The resolution is the smallest signal that can be distinguished from a neighboring value. Limits of resolution may be:

– Noise
– Number of bits in A/D conversion
– Number of decimal places on the display

Q:
Explain the thermoelectric effect
A:
Unter Thermoelektrizität versteht man die gegenseitige Beeinflussung von
Temperatur und Elektrizität und ihre Umsetzung ineinander.
Bei einem Stromkreis aus 2 verschiedenen Leitern entsteht bei einer
Temperaturdifferenz zwischen zwei Kontaktstellen eine Elektrische
Spannung.
U = k_AB(T1 − T2)
Q:
Write down Nyquist’s equation for thermal noise.
Explain the terms
A:
U_N = sqrt( 4 k_B R T ∆f )
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Q:
Bolzmankonstante = Konstant
A:
- Der Wiederstand R erhöht die Rauschspannung

- Die Temperatur T erhöht die Rauschspannung

- Die Bandbreite erhöht die Rauschspannung
Q:
How does a thermopile work? (Thermosäule)
A:
It uses the thermoelectric effect!

Eine Thermosäule oder Thermokette ist ein elektrisches Bauelement, das thermische Energie in elektrische Energie wandelt. Es besteht aus mehreren Thermoelementen, die thermisch parallel und elektrisch in
Reihe geschaltet sind, wodurch die sehr geringen Thermospannungen addiert werden.
Q:

What material do we use for the thermopile membrane? Why?

A:

membrane from very thin (300 nm) silicon nitride
Nichtleitend sonst Kurzschluss, Standartprozess, Geringe Termische leitfähigkeit, hohe intrinsische
Zugspannung, Chemisch stabiel => widerstandsfähig gegen chemisches ätzen

Q:

What do we use as thermocouple material in the thermopile? Why?

A:

polysilicon versus tungsten–titanium oder Aluminium


- polysilicon- Hoher Thermoelektrischer Koeffizient, Standartprozess (keine Verunreinigung)


- Aluminium Niedriger Thermoelektrischer Koeffizient


- tungsten–titanium - Nidriger Thermoelektrischer Koeffizient (+Hohe temperaturen)

Q:

What can we learn for noise reduction from this formula?


U_N = sqrt( 4 k_B R T ∆f )

A:

- möglichst kleiner Widerstand

- Sensor kühlen
- keine unnötig hohe Bandbreite


T: The noise increases with temperature, since the movement of the electrons increases with temperature. Thus, the noise can be reduced by cooling the sensor. This is done in laboratory equipment. When thermopiles are used for IR spectroscopy or astronomy, they are cooled with liquid nitrogen to 77 K.


R: Due to Ohms law, the noise increases with the resistivity of the sensor. Unfortunately, the thermopile has a high internal resistivity due to the interconnects in thin-film technology and due to the many contacts between the two metals. A typical value is 50 kΩ. Therefore, we would like to make sensors with less resistance to reduce Nyquist noise. We could reduce the number of thermopairs in a thermopile, let us say, in half (1/2). The noise would reduce to 1/√ 2 = 71%, but the sensitivity would reduce to 50%. Obviously, it does not pay out.


∆f: The noise increases with the bandwidth of measurement. To reduce noise, the bandwidth can be reduced using a filter (like the “treble” filter in an audio amplifier). There is a trade-off between noise and response time. Small bandwidth reduces noise, but increases response time

Q:
Explain the Thermoresistive Effect
A:
Der Wiederstand eines Leiters ist Themperaturabhängig
R = R0(1 + α∆T + β∆T^2 + . . .)
Q:
Effect Measurand Response
  • Thermoelectric
  • Thermoresistive T  
  • Pyroelectric 
A:
Thermoelectric: ∆T Temperature difference U Voltage 

Thermoresistive: T Absolute temperature R Resistivity

Pyroelectric: dT/dt Change of temperature with time
Sensors and Measurement systems

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