Преобразователи различных видов энергии




МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

 

Учебное пособие

 

 

Санкт-Петербург

О Г Л А В Л Е Н И Е

Введение...................................................................................................................3

1. Физические эффекты как основа построения сенсоров..................................4

2. Кристаллическая решетка кремния..................................................................8

3. Индексы Миллера..............................................................................................10

5. Математическое описание упругих свойств кремния...................................15

5. Механические параметры кремния..................................................................19

6. Виды легирования тензорезисторов................................................................21

7. Тензорезистивный эффект и его математическое описание.........................24

8. Главные тензорезестивные тензоэффекта............... .......................................29

9. Факторы, определяющие величину главных тензорезистивных коэффициентов......................................................................................................33

10. Произвольная ориентация тензорезисторов.................................................35

11. Полупроводниковые тензорезисторы в мостовых схемах постоянного тока………..............................................................................................................39

12. Метрологические характеристики мостовых тензорезистивных преобразователей …………................................................................................. 43

13.Технологические процессы производства преобразователей .....................47

14. Чувствительные элементы интегральных измерительных ТП…………. .58

15. Интегральный измерительный преобразователь давления (ИИПД)……..63

16. Измерительный преобразователь ускорения………………………………72

17. Конструирование интегральных измерительных преобразователей…….77

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Расчёт прогиба и механических напряжений для кремниевой мембраны круглой и эллиптической формы.................................88

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Расчёт прогиба и механических напряжений для кремниевой мембраны квадратной формы.........................................................91

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Конструирование интегральных тензорезисторов...........96

ВВЕДЕНИЕ

Сенсоризация производственной деятельности, т.е. замена органов чувств человека на датчики, должна рассматриваться в качестве третьей промышленной революции, вслед, за первыми двумя – машинно-энергетической и информационно-компьютерной.

 

По структурному построению автоматизированные устройства напоминают биологические системы человека. Аналогия между человеком и автоматом по способам получения сигналов, их обработки, накопления, а также по преобразованию сигналов представлена в табл. 1. Органам чувств человека соответствуют в автоматах (или роботах) датчики, а функции активных органов выполняются исполнительными устройствами. Аналогом мозга, как центрального устройства обработки сигналов, служит ЭВМ с её системой памяти. Заметим, что сочетание «датчик – ЭВМ – исполнительное устройство» представляет собой систему автоматического управления (информационную или информационно - управляющую систему).

Т а б л и ц а 1

Аналогия между процессами получения, обработки и

Преобразования сигналов в биологических и технических система

Функция Биологическая система Техническая система
  Чувства Датчики
Получение сигнала Обоняние Газоанализатор
Вкус pH-метр
Слух Микрофон
Осязание Датчики температуры, перемещения, усилия, потока и т. д.
Зрение Телекамера, датчики положения, излучения и т.д.
Обработка сигнала Мозг ЭВМ
    Преобразование сигнала     Органы Исполнительные устройства
Движения Двигатель
Речь Динамик
Жестикуляция Индикация
Письмо Принтер

ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ КАК ОСНОВА

ПОСТРОЕНИЯ СЕНСОРОВ

Практическая реализация робота связана с открытием (или отысканием) такого физического эффекта, конструктивного решения и технологии, при котором обеспечиваются требования по точности, надежности и стоимости. «Узким» местом было и в определённом смысле остается первое звено в цепи преобразований – это датчик.

Датчиком называют обычно дешевый, но надежный приёмник и преобразователь измеряемой величины, обладающий достаточной точностью и пригодный для серийного изготовления.

Техника конструирования и применения датчиков, или, как её можно кратко назвать сенсорика, за последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники (ощутимо это стало проявляться примерно с 1970 года). С ростом автоматизации, к датчикам физических величин стали предъявляться все более высокие требования. При этом особое значение придается следующим показателям: миниатюрность (возможность встраивания); дешевизна (серийное производство); механическая прочность.

В последнее время распространились такие понятия, как "эффекты твердого тела", "твердотельные датчики", "микромеханика", "интегральные датчики", "полупроводниковые датчики" и т.д. – всё это результат бурного прогресса в создании сенсоров на базе технологии производства электронных микросхем. Это технологическое направление в зарубежной технике получило название iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System). Такое устройство может состоять из механических микроструктур, микродатчиков, микроактюаторов и микроэлектроники, объединяемых на одном кремниевом чипе. Ассортимент видов преобразований энергии (следовательно, и видов преобразователей) оказывается достаточно широким (табл. 2)

Т а б л и ц а 2

Преобразователи различных видов энергии

Вид входной энергии Микроэлектронные преобразователи
Механическая Тензорезисторы, тензодиоды, тензотранзисторы, диоды Ганна, микроэлектронные параметрические преобразователи (R, L, C, резонансные, струнные, ПАВ)
Акустическая Пьезо-, тензо-, ПАВ-преобразователи
Электрическая Микроэлектроды, ионочувствительные датчики
Магнитная Датчики Холла, магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотранзисторы, магнитотиристоры
Тепловая Терморезисторы, диоды, транзисторы, тиристоры, термоэлементы и термопары
Световая Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотоумножители, диоды Шоттки, ПЗС
Химическая Микроэлектроды, химотронные приборы, ионочувствительные приборы, биосенсоры
Ядерная Полупроводниковые детекторы излучения, pin-фотодиоды, ПЗС-камеры для рентгеновского излучения

 

Интегральные преобразователи позволяют осуществить и обратное преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Например, светодиоды и полупроводниковые лазеры; интегральные балочные и струнные приборы.

Преимущества микромеханических датчиков по сравнению с датчиками, изготавливаемыми по традиционной технологии механообработки, таких как резка, шлифование, сверление:

1. Размер чувствительных и упругих элементов датчиков находится в интервале от долей до нескольких миллиметров, что почти на два порядка меньше традиционных (габариты, материалопотребление, точность, надежность, стоимость).

2. Возможность применения групповой технологии изготовления, подобно электронным микросхемам, изготавливаемым сотнями и тысячами на одной пластине (малый разброс параметров в партии, производительность, надежность, стоимость).

3. Высокая стабильность параметров в связи с использованием кристаллических структур вместо поликристаллических, а также в связи с отсутствием прослоек в упругом элементе (большие пределы прочности и пластичности, отсутствие ползучести, гистерезиса – всё это приводит к повышению точности измерений).

4. Возможность интеграции чувствительного элемента датчика (или датчиков) с электронными схемами.

5. Возможность интеграции ряда одинаковых или различных чувствительных элементов датчиков на одной пластине. Использование системы датчиков для перекрытия всего диапазона в случае, когда его невозможно перекрыть одним ЧЭ.

Таким образом, использование новой технологии приводит к повышению

– точности измерения, чувствительности и к расширению частотного диапазона, снижению нелинейности и расширению амплитудного диапазона измерения, а также к повышению прочности датчика. Происходит повышение стабильности параметров датчика, снижение эффекта усреднения внешнего воздействия и эффекта искажения измеряемой величины за счёт воздействия на объект массы датчика;

– повышение надёжности измерений;

– уменьшение материалопотребления;

– увеличение производительности и снижение стоимости.

Микромеханические приборы обладают большой коммерческой привлекательностью.

Развитие MEMS-производства связано с быстропрогрессирующими областями их использования – это мобильные роботы гражданского и военного назначения.

Авиационная промышленность, где требования к датчикам и контрольно-измерительным и управляющим устройствам особенно высоки, потребляет большое количество одноимённых датчиков. Например, в зависимости от типоразмеров самолётов общее число только датчиков давления на одном самолёте составляет 50-90 штук. В Европе за 1998-2008 гг. должно было быть произведено 8000 гражданских самолётов, т. е. одних лишь датчиков давления необходимо более 500 тыс. шт.

Так как у MEMS - компонентов в направлении миниатюризации в обозримом будущем не будет конкурентов, а их точность и эксплуатационные характеристики имеют устойчивую тенденция к улучшению показателей, можно ожидать прогрессирующего внедрения микромеханических приборов в изделия гражданского и военного назначения.

 

...





Читайте также:
Опасности нашей повседневной жизни: Опасность — возможность возникновения обстоятельств, при которых...
Отчет по производственной практике по экономической безопасности: К основным функциональным целям на предприятии ООО «ХХХХ» относятся...
Основные понятия ботаника 5-6 класс: Экологические факторы делятся на 3 группы...
Этапы развития человечества: В последние годы определенную известность приобрели попытки...

Поиск по сайту

©2015-2022 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-15 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:


Мы поможем в написании ваших работ!
Обратная связь
0.017 с.