Перетворювачі різних видів енергії
МІКРОМЕХАНІЧНІ ТЕНЗОРОЗИСТИВНІ
ПЕРЕТВОРЮВАЧІ
ПРО Г Л А В Л Е Н І Е
1. Фізичні ефекти як основа побудови детекторів. 4
2. Кристалічні грати кремнію. 8
3. Індекси Міллера. 10
5. Математичний опис пружних властивостей кремнію. 15
5. Механічні параметри кремнію. 19
6. Види легування тензорезисторів. 21
7. Тензорезистивний ефект та його математичний опис. 24
8. Основні тензорезестивні тензоефекти. . 29
9. Чинники, що визначають величину основних тензорезистивних коефіцієнтів. 33
10. Довільна орієнтація тензорезисторів. 35
11. Напівпровідникові тензорезистори в мостових схемах постійного струму………. 39
12. Метрологічні характеристики мостових тензорезистивних перетворювачів …………. 43
13. Технологічні процеси виробництва перетворювачів. 47
14. Чутливі елементи інтегральних вимірювальних ТП…………. .58
15. Інтегральний вимірювальний перетворювач тиску (ІІПД)……..63
16. Вимірювальний перетворювач прискорення………………………………72
17. Конструювання інтегральних вимірювальних перетворювачів…….77
ДОДАТОК 1. Розрахунок прогину та механічних напруг для кремнієвої мембрани круглої та еліптичної форми. 88
ДОДАТОК 2. Розрахунок прогину та механічних напруг для кремнієвої мембрани квадратної форми. 91
ДОДАТОК 3. Конструювання інтегральних тензорезисторів. 96
ВСТУП
Сенсоризація виробничої діяльності, тобто. заміна органів чуття людини на датчики, повинна розглядатися як третя промислова революція, слідом, за першими двома - машинно-енергетичної та інформаційно-комп'ютерної.
заСтруктурна побудова автоматизовані пристрої нагадують біологічні системи людини. Аналогія між людиною та автоматом за способами отримання сигналів, їх обробки, накопичення, а також перетворення сигналів представлена в табл. 1. Органам чуття людини відповідають в автоматах (або роботах) датчики, а функції активних органів виконуються виконавчими пристроями. Аналогом мозку, як центрального пристрою обробки сигналів, служить ЕОМ із її системою пам'яті. Зауважимо, що поєднання «датчик – ЕОМ – виконавчий пристрій» є системою автоматичного управління (інформаційну чи інформаційно - управляючу систему).
Таблиця 1
Аналогія між процесами отримання, обробки та
Перетворення сигналів у біологічні та технічні системи
ФІЗИЧНІ ЕФЕКТИ ЯК ОСНОВА
ПОБУДУВАННЯ СЕНСОРІВ
Практична реалізація робота пов'язана з відкриттям (або відшуканням) такого фізичного ефекту, конструктивного рішення та технології, при якому забезпечуються вимоги щодо точності, надійності та вартості. Вузьким місцем було і в певному сенсі залишається перша ланка в ланцюзі перетворень - це датчик.
Датчиком називають зазвичай дешевий, але надійний приймач і перетворювач вимірюваної величини, що має достатню точність і придатний для серійного виготовлення.
Техніка конструювання та застосування датчиків, або, як її можна коротко назвати сенсориком, за останні роки розвинулася в самостійну галузь вимірювальної техніки (відчутно це стало виявлятися приблизно з 1970 року). Зі зростанням автоматизації, до датчиків фізичних величин стали пред'являтися більш високі вимоги. При цьому особливе значення надається таким показникам:мініатюрність (можливість вбудовування); дешевизна (серійне виробництво); механічна міцність.
Останнім часом поширилися такі поняття, як "ефекти твердого тіла", "твердотільні датчики", "мікромеханіка", "інтегральні датчики", "напівпровідникові датчики" тощо. - Все це результат бурхливого прогресу у створенні сенсорів на основі технології виробництва електронних мікросхем. Цей технологічний напрямок у зарубіжній техніці отримав назву iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System). Такий пристрій може складатися з механічних мікроструктур, мікродатчиків, мікроактюаторів та мікроелектроніки, що об'єднуються на одному кремнієвому чіпі. Асортимент видів перетворень енергії (отже, та видів перетворювачів) виявляється досить широким (табл. 2)
Таблиця 2
Перетворювачі різних видів енергії
Інтегральні перетворювачі дозволяють здійснити і зворотне перетворення електричної енергії на інші види енергії. Наприклад, світлодіоди та напівпровідникові лазери; інтегральні балкові та струнні прилади.
Переваги мікромеханічних датчиків у порівнянні з датчиками, що виготовляються за традиційною технологією механообробки, таких як різання, шліфування, свердління:
1. Розмір чутливих та пружних елементів датчиків знаходиться в інтервалі від часток до декількох міліметрів, що майже на два порядки менше традиційних (габарити, матеріалспоживання, точність, надійність, вартість).
2. Можливість застосування групової технології виготовлення, подібно до електронних мікросхем, що виготовляються сотнями і тисячами на одній пластині (малий розкид параметрів у партії, продуктивність, надійність, вартість).
3. Висока стабільність параметрів у зв'язку звикористанням кристалічних структур замість полікристалічних, а також у зв'язку з відсутністю прошарків в пружному елементі (великі межі міцності та пластичності, відсутність повзучості, гістерези – все це призводить до підвищення точності вимірювань).
4. Можливість інтеграції чутливого елемента датчика (або датчиків) із електронними схемами.
5. Можливість інтеграції низки однакових чи різних чутливих елементів датчиків однією пластині. Використання системи датчиків для перекриття всього діапазону, якщо його неможливо перекрити одним ЧЕ.
Таким чином, використання нової технології призводить до підвищення
– точності вимірювання, чутливості та до розширення частотного діапазону, зниження нелінійності та розширення амплітудного діапазону вимірювання, а також до підвищення міцності датчика. Відбувається підвищення стабільності параметрів датчика, зниження ефекту усереднення зовнішнього впливу та ефекту спотворення вимірюваної величини рахунок на об'єкт маси датчика;
- Підвищення надійності вимірювань;
- Збільшення продуктивності та зниження вартості.
Мікромеханічні прилади мають велику комерційну привабливість.
Розвиток MEMS-виробництва пов'язаний із швидкопрогресуючими областями їх використання – це мобільні роботи цивільного та військового призначення.
Авіаційна промисловість, де вимоги до датчиків та контрольно-вимірювальних та керуючих пристроїв особливо високі, споживає велику кількість однойменних датчиків. Наприклад, залежно від типорозмірів літаків загальна кількість лише датчиків тиску одному літаку становить 50-90 штук. У Європі за 1998-2008 р.р. мало бути вироблено 8000 цивільних літаків, тобто одних лишедатчиків тиску потрібно понад 500 тис. шт.
Так як у MEMS - компонентів у напрямку мініатюризації в найближчому майбутньому не буде конкурентів, а їх точність та експлуатаційні характеристики мають стійку тенденцію до поліпшення показників, очікується прогресуючого впровадження мікромеханічних приладів у вироби цивільного та військового призначення.