SENZORJI TLAKA ZA MEDICINSKO IN INDUSTRIJSKO UPORABO 1 Marko Pavlin, ^ Darko Belavič, ^Matej Možek ^HIPOT-RR, d.o.o., Šentjernej, Slovenija ^Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana, Slovenija Ključne besede: senzor, senzor tlaka, piezouporovni senzorji, pametni senzorji, debeloplastna tehnologija Izvleček: Družba HIPOT-HYB že vrsto let proizvaja, poleg hibridnih debeloplastnih vezij, tudi senzorje tlaka za medicinsko in industrijsko uporabo. Razvoj tehnologije in zahteve trga usmerjajo tudi razvojno dejavnost. V prispevku bo predstavljena raziskovalno-razvojna dejavnost na področju senzorjev tlaka. Njeni dosežki na tem področju bodo ilustrirani z nekaterimi značilnimi primeri, njene usmeritve pa bodo prikazana na primeru pametnega senzorja tlaka. Pressure Sensors for Medical and Industrial Applications Key words; sensor pressure sensor, piezoresistive pressure sensor, smart sensor, thick-film technology Abstract: Through many years of experience in thick film technology and pressure sensors many medical and industrial pressure sensor applications were developed and produced in the HIPOT-HYB company. For illustration few medical and industrial applications of pressure sensors are described. In all cases the sensor elements were gauge silicon piezoresistive pressure sensors with a periphery made in thick film technology. In this contribution we demonstrated that silicon pressure sensors in chip form in combination with thick film technology could be successfully used in pressure sensor applications. Special attention must be paid to assembling and packaging aspects in the production of pressure sensors. In our case, the silicon pressure sensor die is bonded onto a ceramic substrate with polymeric adhesives and encapsulated with polymeric materials. The mechanical and thermo-meohanical properties of the materials for assembly and housing have a crucial influence on the properties. Another important aspect in the production of pressure sensors is miniaturisation. The goal is achieved by the use of smaller or more complex components, which concentrate more functionality in a smaller volume. An example is shown with the pressure-switch example. The research, development and design activities on the field of the smart sensor are also introduced. 1 Uvod Po podatkih Intechno Consulting, Basel, Švica je bila vrednost svetovnega trga senzorjev leta 2001 približno 31 milijard EUR z letno rastjo okoli 6 %. Pomembnejša področja uporabe senzorjev so procesna industrija, stroji in naprave, avtomobilska industrija, itd.. V zadnjih letih je avtomobilska industrija z 28-odstotnim deležem postala glavni uporabnik senzorjev in s tem prehitela procesno industrijo, ki je imela pred 10 leti največji, 30-odstotni deiež. Delež senzorjev za uporabo v medicini se je tudi povečal od 6 % leta 1991 na 10 % v letu 2001. Glede na tip senzorjev pa največji tržni delež pripada senzorjem tlaka. Tehnološke poti razvoja na področju senzorjev gredo v dveh smereh. Prvaje miniaturizacijavt. i. Mikro-elektromehanske sisteme (MEMS), druga pa je v pametne (smart) senzorje. Mikrosistemske tehnologije za izdelavo MEMS so v največji meri polprevodniške. Uporabljajo pa se tudi keramične (0-MEMS) in hibridne (H-MEMS) tehnologije za izdelavo t.i. mezo- in mikro-elektromehanskih sistemov (M&MEMS). Kombinacija MEMS in modernih elektronskih in informacijskih tehnologij pa je ponudila novo kvaliteto pri uporabi senzorjev. Tako imenovani pametni senzorji so sposobni samodiagnostike in samokalibracije, njihovo delovanje pa se lahko krmili (vklop/izklop, merilno območje, merilna veličina,...). Taki senzorji tudi aktivno sodelujejo pri procesih, so hitro zamenljivi in se jih lahko priredi za komunikacijo v različnih mrežah (GAN, internet, ...). Splošna usmerjenost na področju senzorjev je tudi zniževanje cen. Najbolj se to pozna pri proizvajalcih senzorskih elementov. Zaradi tega le-ti povečujejo obseg proizvodnje, inovirajo tehnologije in standardizirajo izdelke. V veliki meri cenovna usmerjenost vpliva tudi na naslednjo stopnjo, ki jo imenujemo senzorski modul, tega v minimalnem obsegu sestavljajo: senzorski element, elektronika za procesiranje senzorskega signala in ohišje. Proizvajalci imajo zato večjo fleksibilnost pri izbiri sestavnih delov, razvoju, konstrukciji in sestavi senzorskih modulov. Genovna usmerjenost na nivoju sistemov pa je zelo odvisna od področja uporabe. Industrijski partner, HIPOT-HYB, Proizvodnja hibridnih vezij, d.o.o., Šentjernej, je podjetje, ki proizvaja hibridna debeloplastna vezja ter medicinske in industrijske senzorje tlaka. V manjši meri izdeluje tudi senzorje temperature in sile. HIPOT-HYB trži pretežno na razvitih zahodnih trgih, kjer ustvari 75 % prihodkov od prodaje. V programski strukturi je najpomembnejši program medicinskih senzorjev tlaka s 60-odstotnim deležem, sledijo hibridna debeloplastna vezja s 37, 3-odstotni delež pa je bil leta 2001 nov program industrijskih senzorjev tlaka. Podjetje razvija in izdeluje široko paleto različnih senzorjev tlaka: enostavne pasivne senzorje, temperaturno kompenzirane in kalibrirane pasivne sen- zorje, z dodatkom aktivnih elektronskih komponent pa tudi industrijske pretvornike tlaka in pametne senzorje. V nadaljevanju bo prikazano nekaj rezultatov raziskovalno-razvojnega dela in nekaj senzorjev tlaka za uporabo v medicini in industriji. 2 Konstrukcija senzorja tlaka Za izdelavo hibridnih senzorjev tlaka uporabljamo kupljen gol silicijev piezoupornostni senzor tlaka kot senzorski element ter hibridno debeloplastno tehnologijo za montažo senzorskega elementa ter izdelavo kompenzacijskega in umerjevalnega elektronskega vezja (slika 1)/1/. Poleg tega se hibridna debeloplastna tehnologija uporablja tudi za izdelavo elektronskega vezja za procesiranje senzorskega signala (slika 2)72,3,4,5,6/. i / m' ^ zicna povezava silikonska zaščita silicijev senzorski element lepilo tabletka-podlaga keramična podlaga lepilo podlaga-ohišje ohišje Slika 1: Silicijev piezoupornostni senzor tlaka, integriran v debeloplastno umerjevalno vezje. Na levi je prikazana fotografija izdelka, na desni pa shematsko njegov presek. Slika 2: Industrijski senzor tlaka. Vidno je elektronsko vezje za procesiranje senzorskega signala, izdelano v/ hibridni debeloplastni tehnologiji. Na lastnosti senzorjev tlaka pa pomembno vpliva tudi konstrukcija in izbira materiala za sestavne dele /7,Q,Q/. Značilna konstrukcija senzorjev (modulov) tlaka je izvedena v dveh delih. Prvi je senzorski element z ustrezno periferijo, drugi pa elektronsko vezje za procesiranje senzorskega signala. Oba dela pa sta potem vgrajena v ohišje, ki je lahko plastično ali kovinsko ter s priključnimi cevkami ali z možnostjo vgradnje v standardna kovinska cevna ohišja. Detajl ene izmed značilnih konstrukcij senzorjev tlaka je prikazan na sliki 3. Posebno pozornost posvečamo izbiri materialov za ohišja in sestavne dele ter nadzoru proizvodnega procesa. Pri tem je pomembna predvsem skladnost mehanskih, termo-mehanskih in kemičnih lastnosti sestavnih delov /10,11,12/. V tabeli 1 80 podani temperaturni razteznostni koeficienti uporabljenih materialov. Procesi izdelave senzorja pa morajo biti taki, da ne puščajo zaostalih mehanskih napetosti v sestavnih delih. ohišje " el. povezava hibridno vezje L^ V TLAK 1 senzor tlaka TLAK 2 SHka 3.' Detajl ene izmed značilnih konstrukcij senzorjev tlaka Tabela 1: Primerjava temperaturnih razteznostnih koeficientov materialov, uporabljenih pri konstrukciji senzorja tlaka Temperaturni Material razteznostni koeficient (10"®/K) Epoxy 60-80 Polyester 80-130 Mehko lepilo (gel) 200-400 Keramična podlaga 6-7 Silicijev senzorski element 3-4 Pri izdelavi senzorjev tlaka praviloma uporabljamo senzorske elemente (silicijeve ali keramične), ki delujejo na osnovi piezoupornostnega efekta. Štirje senzorski upori na membrani so vezani v Wheatstonov mostič, ki je napajan s konstantnim tokom ali napetostjo, izhodna napetost pa je v področju mV. To je osnova, ki jo nadgradimo najprej s temperaturno kompenzacijo, da izničimo vpliv neželenih veličin (temperature). Temu sledi ojačevalnik z diferencialnim vhodom, kije individualno kalibriran za vsak senzorski element posebej. Izhodna napetost je v standardnem področju od 0,5V do 4,5V. Namesto napetostnega izhoda lahko izdelamo tudi tokovni izhod za tokovne zanke od 4mA do 2QmA ali pa digitalni vmesnik. Večjo stopnjo integracije pa dosežemo z uporabo ASIC (Application Specific Integrated Circuit) /13,14/. Področja tlakov, ki jih obvladujemo z našimi senzorji so od 2 mbardo 10 bar. Temperaturno področje delovanja je od -20 °C do +80 °C. V temperaturnem področju od O do 50 °C pa zagotavljamo točnost 1 od 5 V naprej. Napajalne napetosti so ka nadaljevala v smeri nadaljnje miniaturizacije (slika 6) kakor tudi v smeri enostavnejši!! proizvodniln postopkov. 3 Senzorji tlaka za uporabo v medicini v medicini obstajajo vse večje zahteve po točnem spremljanju določeniii vitalnih človekovih funkcij pri velikem številu pacientov. Ta smer je še posebej opazna v zelo razvitih državah, kot so: ZDA, Nemčija, Japonska in druge države EZ. Več desetletij je že v uporabi različna nadzorna (moni-torska) oprema, ki omogoča v povezavi z ustreznimi senzorji trajno spremljanje človekovih vitalnih funkcij. Tak primer je tudi invazivno merjenje krvnega tlaka pri pacientih v intenzivni negi in merjenje znotrajmaterničnega tlaka pri nosečnicah. Oboje lahko merimo v principu z istim tipom senzorja, ki pa mora biti prirejen specifični uporabi. Posebnost senzorjev tlaka za medicinsko uporabo je proizvodnja v klinično čistih prostorih in uporaba biokompatibilnih materialov in drugih specifikacijah, kijih določa standard AAMI. Senzorji, ki so se uporabljali prej, so bili namenjeni za večkratno uporabo. Vzporedno z naraščajočim strahom za krvno okužbo so se v zadnjem desetletju začeli uporabljati senzorji za enkratno uporabo. Tak tip senzorjev je ustvaril novo tržišče, ki dosega samo na področju krvnih senzorjev tlaka že okrog 30 milijonov kosov. Od tega podjetje HIPOT-HYB izdeluje 1,2 milijona kosov senzorjev za invazivno merjenje krvnega tlaka (slika 4) pri pacientih v intenzivni negi. Slika 5: Konvencionalno vakuumsl