Датчики тиску: фізичні основи роботи, конструктивно-технологічні особливості

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Датчики тиску: фізичні основи роботи, конструктивно-технологічні особливості

ВСТУП

Стрімкий розвиток електроніки і обчислювальної техніки дозволив здійснювати широку автоматизацію різних процесів у промисловості, сфері наукових досліджень, у повсякденному житті. Реалізація цієї автоматизації значною мірою визначається можливістю пристроїв отримувати інформацію про певний параметр або процес, які називаються датчиками. Застосування датчиків не обмежується лише автоматизованими системами, оскільки вони можуть виконувати також функції елементів вимірювальних систем [1].

Актуальність теми. У теперішніх умовах пріоритетного розвитку таких галузей промисловості, як електроніці, машинобудування, ракетобудування, літакобудування, автомобілебудування неможливо обійтися без використання надійних систем управління, контролю та діагностування. Основним елементом подібних систем є первинний перетворювач неелектричних величин (датчик). Датчики реагують на зовнішні подразники, зокрема температуру, тиск, світло, звук, електричний струм, магнетизм, радіацію, хвильове випромінювання, прискорення, переміщення тощо, перетворюючи їх в електричні сигнали [21].

Останніми роками розвинувся самостійний напрям вимірювальної техніки - сенсорика, яка об'єднує техніку конструювання, виготовлення і застосування датчиків.

Технологія виготовлення датчиків подібна до відомих способів виготовлення напівпровідникових інтегральних схем: кремнієва, тонкоплівкова та товстоплівкова технології. Слід зазначити, що усі три види технологій дозволяють виготовляти датчики з високою стабільністю, допускають мініатюризацію, високу рентабельність виробництва при малих витратах, а в останніх двох випадках і широкий температурний інтервал функціонування датчиків [1].

Мета даної роботи полягає в ознайомленні з конструкціями різних датчиків тиску, встановлення перспектив їх розвитку в майбутньому.

РОЗДІЛ 1. ДАТЧИКИ ТИСКУ

1.1 Класифікація датчиків тиску

На практиці бувають випадки, коли вимірювану величину не можна відразу перетворити в електричну. У цих випадках застосовуються датчики з двократним перетворенням. Елемент датчика, що здійснює перше перетворення, називається чутливим елементом.

Прикладом датчика з двократним перетворенням може бути датчик тиску, який перетворює тиск рідини або газу в електричну величину. Чутливий елемент такого датчика перетворює тиск середовища в переміщення, яке вимірюється датчиком переміщення. Як чутливі елементи часто використовуються мембрани і сильфони [3].

Пристрій датчика мембранного типу показаний на рис. 1.1,а.

Рис. 1.1. Датчики тиску [3]: а - мембранний; б - сильфонний для газів; в - сильфонний для рідин

На кінці трубопроводу кріпиться тонка пластина. Ця пластина і називається мембраною. Під дією тиску рідини або газу центр мембрани прогинається і переміщає важіль потенціометра, при переміщенні якого змінюється вихідний опір датчика.

Датчик сильфонного типу є тонкостінною гофрованою трубкою з пружного матеріалу, один кінець якої жорстко з'єднаний з важілем потенціометра (рис. 1.1,б). Під дією тиску газу сильфон розтягується, що приводить до переміщення важіля потенціометра.

Застосовується також й інша конструкція сильфонного датчика (рис. 1.1, в), що є порожнистою судиною, всередину якої вбудований сильфон. Рідина під тиском Р поступає в порожнину судини, унаслідок чого сильфон, стискаючись, переміщає важіль потенціометра [3].

Сила тиску рідини в даному сильфоні визначається по формулі [3]:

S_cP = m + D_tp + k_cl,

де m - маса рідини в сильфоні;

l - переміщення движка потенціометра;

D_ТР - коефіцієнт в'язкого тертя;

k_c - коефіцієнт пружності сильфона;

S_c - площа сильфона.

1.2 Види датчиків тиску. Конструкція та принцип їх роботи

1.2.1 Кремнієві датчики

Датчики тиску відносять до найбільш поширених у техніці. Найбільш дешевим і відносно простим у конструкції є кремнієвий датчик. Його виготовляють із пластини кремнію, частину якої витравляють до утворення тонкої мембрани. Методом іонної імплантації на мембрані формуються резестивні елементи і з'єднання. Під час тиску мембрана прогинається, що обумовлює деформацію резистора через отвір у корпусі датчика тиску і, як наслідок цього, зміну електричного опору (так званий тензоефект). Конструкційно товщина мембрани, геометрична форма і кількість резисторів визначаються інтервалом допустимих тисків. Вимірювальна схема датчика тиску являє собою міст із чотирьох однотипних резисторів (рис. 1.2,а).

Резистори R₁ - R₄ з'єднуються так, що при деформації мембрани величини R₁ і R₃ збільшуються, а R₂ і R₄ - зменшуються. [2].

Рис.1.2. Вимірювальний міст із чотирьох резисторів, які складають датчик тиску (а) і робоча характеристика кремнієвого датчика при двох температурах (б) [2]

Це дозволяє досягти високоі чутливості вимірювального моста. Вихідна напруга обчислюється за співвідношенням:

U_B = U₀,

де U_B - вихідна напруга;

U₀ - вхідна напруга.

Залежність U_В від тиску Р має лінійний характер, кутовий коефіцієнт якої залежить від температури вимірювання (1.2, б). Оскільки вихідний сигнал досить слабкий (~10-¹ В), то застосовується операційний підсилювач, що дає U_В ~ 1 В. Для вимірювання з підвищеною точністю необхідно додатково компенсувати температурну похибку датчиків. Застосовуються два методи компенсації: пасивна - за

допомогою резистора і датчика температури, які вмикаються у вхідну ділянку моста (датчик температури - паралельно мосту), й активна - за допомогою операційного підсилювача, яка повністю усуває температурну похибку [2].

Кремнієві датчики тиску характеризуються такими перевагами, як: висока чутливість; лінійність шкали; незначний гістерезис; компактна конструкція та економічна планарна технологія виготовлення; малий час спрацювання.

Недолік, зумовлений підвищєною температурною чутливістю, можна у більшості випадків скомпенсувати [4].

Кремнієві датчики тиску застосовуються у пральних машинах, апаратах вимірювання кров'яного тиску, в автомобілях (регулювання запалювання, вимірювання тиску при розрідженні пального, тиску мастила і стиснутого повітря в гальмівній системі та ін.).

Датчики тиску, які випускають найбільш відомі фірми (Motorola, Honeywell, Volvo, Siemens та ін.), дозволяють перекривати інтервал тисків 0-10*10⁵ Па і температур -40 - +125 ?С, а також працювати у вакуумі та різних газових середовищах [2].

1.2.2 Датчики тиску на основі двошарової металевої плівки

Принцип роботи датчика тиску повною мірою визначається матеріалом робочого елементу.У тому випадку, коли використовується тонкоплівковий металевий резистор, його чутливість до тиску пов'язана із тензоефектом. Вплив тиску на процеси електроперенесення полягає у такому.

При протіканні електричного струму через плівковий резистор електрони провідності розсіюються на фононах, межах зерен, зовнішніх поверхнях плівки, дефектах кристалічної будови. Якщо резистор виготовлений у вигляді багатошарової системи, то виникає новий механізм розсіювання на межі поділу окремих шарів.

При деформації резистора (мова йде про деформації ~ 1%) зміна опору буде відбуватися в результаті зміни таких параметрів: середньої довжини вільного пробігу електронів (л₀), коефіцієнтів проходження електроном межі зерна (r), дзеркальності поверхні (р) та проходження межі поділу окремих шарів (Q); можлива також деяка зміна опору в результаті перерозподілу і генерації нових дефектів кристалічної будови.

Таким чином, формулу для загальної зміни опору можна записати так:

?R=?R_л0 + ?R_r + ?R_P + ?R_Q + ?R_Д,

де різні доданки дають різний за величиною і навіть за знаком внесок у зміну ?R [2].

Рис. 1.3. Датчик тиску на основі плівкової системи Cu/Ni [2]:

1-контактна площадка із Сu (електролітичне осадження)/Сu (термічне осадження) /Сr; 2-плівка Cr; 3- плівка Ni; 4- плівка Сu; 5- контакт; 6- ущільнювач

Розглянемо конструкцію плівкового датчика. Робочою частиною датчика є тонка (0,5 - 1 мм) тефлонова або фторопластова мембрана, на поверхню якої термовакуумною конденсацією наноситься чутливий резистор у вигляді двошарової системи Cu/Cr або (Cu/Ni)/Cr (шар Сr використовується в основному для покращання адгезії шару Сu або Ni контактних площадок). Двошаровий резистор Cu/Ni (рис.1.3) більш чутливий до деформації, ніж одношаровий із Сu. Матеріал мембрани вибирається із тих міркувань, що і тефлон, і фторопласт мають хороші вакуумні властивості та низьку залишкову деформацію. Електричні контакти приєднуються до контактних площадок за допомогою мікропаяння [2].

Робоча характеристика датчика тиску на основі плівки Cr наведена на рис. 1.4. Звідки видно, що робоча характеристика має дві ділянки. На першій вона немонотонна, а на другій має лінійний характер.

Рис. 1.4. Робоча характеристика датчика тиску на основі плівки хрому [1]: Р - тиск залишкової атмосфери у вакуумній камері; R_П - початковий опір; 1 - немонотонна; 2 - має лінійний характер

Описаний датчик можна використовувати і при Р>10⁵ Па (до 1,5*10⁵ Па). У цьому випадку залежність ?R/R_П також зростає, що повністю узгоджується із уявленням про тензоефект [1].

Металеві резистори, так як і кремнієві, мають досить високу чутливість, надійність і стабільність метрологічних характеристик.

Недоліками ж описаної конструкції датчика тиску є те, що дана конструкція датчика не має захисту резистивного елемента, тому ресурс його роботи незначний (декілька днів) через процеси старіння; гістерезис показників; досить погана відтворюваність результатів.

Перевагою даного датчика перед кремнієвими є простота технології виготовлення, крім того, вони не так чутливі до температурних змін та хімічно активних середовищ [1]

1.2.3 Електронний барометр

Існують деякі цікаві варіанти застосування датчиків тиску. До їх числа відноситься вимірювання атмосферного тиску або висоти.

Описаний нижче барометричний прилад придатний для точного вимірювання тиску атмосферного повітря, який на рівні моря дорівнює 1013 мбар. Із збільшенням висоти (наприклад, в горах) або при змінному стані погоди тиск повітря сильно змінюється. На висоті 10 км, наприклад, повітря падає до 264 мбар, а на 20 км - до 55 мбар. Зміна тиску повітря залежно від висоти (відносно рівня моря) описується барометричним рівнянням висоти [4]:

Р_L = Р₀exp(-h/H) або h = Hln(P₀/P_L),

де Р_L - тиск повітря на висоті h;

Р₀ - тиск повітря на рівні моря (1013 мбар);

H - константа.

Залежність тиску повітря від висоти ілюструється даними табл. 1.1.

Таблиця 1.1 [4]Залежність тиску повітря від висоти

Висота, h, м	Тиск, РL мм. рт. ст.	Тиск, РL мбар
0	760	1013
100	751	1001
200	742	989
300	733	977
400	724	966
500	716	955
600	707	943
700	699	932
800	691	921
900	683	910
1000	675	899

При підйомі від 0 до 500 м тиск повітря знижується приблизно на 58 мбар. В середньому виходить 0,12 мбар/м. Залежно від погодних умов тиск повітря коливається в діапазоні від ? 980 мбар (низьке) до ? 1025 мбар (високе), тобто, по пере

паду тиску це відповідає перепаду висоти близько 500 м [4].

Принципова схема електронного барометра зображена на рис. 1.5. Датчик тиску (наприклад, KPY 10 фірми Siemens) живиться стабілізованою напругою 15 В.

Рис 1.5. Електронна схема барометра з датчиком тиску KPY 10. Стабілізована напруга живлення 15 В. ОП - операційний підсилювач[4]

Вихідна напруга складає при цьому 0...300 мВ для діапазону тисків 0...2 бар. Діапазон вимірювання тиску атмосферного повітря складає 50 мбар (±25 мбар), отже, вихідна напруга повинна бути посилена в 50 разів. Для цього можна застосувати диференціальний підсилювач (наприклад LM363).

При нормальному атмосферному тиску на вхід підсилювача подається напруга ?U = 150 мВ, яке підвищується операційним підсилювачем ОР1 до ? 7,5 В. Другим операційним підсилювачем (наприклад LM358) за допомогою потенціометра Р₁ напруга сигналу доводиться до 10 В. Опір R₂ і Р₁ дорівнюють 1 Мом, а опір R₁ дорівнює 100 кОм.

Установка нуля здійснюється дільником напруги R₃ = R₄ =20 кОм і Р₂ =10 кОм.

Точна установка (калібрування) вихідного сигналу U_А здійснюється на випробувальному стенді, показаному на рис. 1.6.

За допомогою U-подібної манометричної трубки, заповненої водою, можна створити коливання тиску ±25 мбар, необхідні для регулювання чутливості датчика тиску [4].

Оскільки нормальний тиск 1013 мбар відповідає водяному стовпу 10,34 м, коливання тиску ±25 мбар відповідає зміні водяного стовпа ±25,5 см. U-подібний манометр складається з двох скляних трубок завдовжки біля 1 м, сполучених між собою гумовим шлангом і наполовину заповнених водою (при нагоді -- дистильованою). Якщо тиск на вході і виході однаковий, то і рівень води в обох трубках буде на однаковій висоті. У цьому стані вихід манометра сполучають з датчиком тиску іншим гумовим шлангом і відзначають вихідну напругу U_А1.

Нагнітаючи повітря у вхід манометра, зміщують рівень води на 25,5 см. Це друга вихідна напруга U_А2 також відзначають. Різниця ?U_А = U_А1 - U_А2 після калібрування повинна складати 250 мВ. Якщо величина ?U_А дуже мала, то потрібно збільшити підсилення за допомогою настроювального потенціометра Р₁. Вказана процедура повторюється до тих пір, поки не вийде ?U_А = 250 мВ. Потім встановлюють нульову точку. Для цього у місцевої метеорологічної служби запрошують тиск повітря в даний момент. За допомогою настроювального потенціометра Р₂ встановлюється, наприклад, вихідний сигнал U_A = 10,05 В, відповідний зміряному в даний момент тиску 1005 мбар.

Рис. 1.6. Пристрій для калібрування датчиків тиску [4]

Після такої процедури калібрування на виході схеми отримується значення тиску повітря в даний момент. У цьому випадку зміні вихідної напруги на 10 мВ відповідає зміна тиску повітря на 1 мбар [5].

Якщо очікуються досить великі зміни температури (наприклад, ?Т ? 20 ?С), то за допомогою відповідної схеми слід ще додатково компенсувати зсув нуля і зміну чутливості [4].

1.2.4 Датчик тиску електрофізичних властивостей

Для дослідження електрофізичних властивостей чутливого елементу дат-чика тиску була розроблена його конструкція,схематично показана на рис. 1.7.

Робочою частиною датчика виступає тонка фторопластова мембрана (1) товщина якої d = 0,5 мм. На поверхню мембрани методом термічного випарування наноситься тонкоплівковий чутливий елемент (2)у вигляді одно-чи багатошарової плівки та мідні контактні майданчики (3) з попередньо нанесеним для кращої адгезії підшаром хрому(4),до яких приєднується мікропайкою тонтактні дроти або срібні притискні контакти. Конструктивні особливості цього датчика тиску



Рис 1.7. Схематична конструкція датчика тиску (а) та принцип його роботи (б): 1 - фторопластова мембрана; 2 - чутливий елемент; 3- мідні контактні майданчики; 4-плівка Cr; 5-гумові щільнювачі;6- стінка вакуумної камери[24] (розміри корпусу датчика відповідають розмірам посадкового гнізда для вакуумметра типу ПМТ) дозволяють використовувати його для вимірювання форвакууму (р?? 20-40 Па) у вакуумних системах різних типів. Гумові ущільнювачі (5) використовуються для кращої фіксації притискних контактів на поверхні контактних майданчиків.

Принцип роботи такого датчика полягає у наступному: при відкачуванні вакуумної камери за рахунок зміни тиску всередині камери та зовні відбувається деформація робочого елементу в наслідок чого змінюється його електричний опір(т.зв. тензоефект).

РОЗДІЛ 2. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДАТЧИКІВ ТИСКУ

2.1 Ємнісний датчик

Датчик сили можна побудувати, якщо між пластинами конденсатора встановити пружини, а на верхню пластину подати силове навантаження. Тоді, чим більше прикладена сила, тим більше будуть стиснуті пластини, тим менша буде відстань між ними, тим більша ємність. Але, оскільки такі датчики залежать від факторів зовнішнього середовища, то використання цього принципу потребує значних конструктивних зусиль.

А ось як безконтактні кнопки ємнісні датчики застосовуються часто. Використовується різка зміна ємності при натисненні пальцем кнопки. Конструкція датчика сили з кнопкою показана на рис. 2.1.

Рис.2.1. Конструкція датчика сили [20]

При натисненні на кнопку відстань між провідною силіконовою шайбою та електродами змінюється. Тому змінюється і ємність між обкладинками електродів на друкованій платі. Мікросхема контролера перетворює ємність датчика у напругу, а потім у цифровий код. Такі датчики використовують у клавіатурах комп'ютерів, пультах мобільних телефонів, відеокамерах.

Для вимірювання тиску використовується гнучка пластина конденсатора. Якщо на цю гнучку пластину поданий тиск, вона наближується до іншої постійної пластини конденсатора, тому ємність конденсатора змінюється в залежності від тиску. На рис.2.2 зображена така конструкція датчика тиску.

Рис.2.2. Конденсаторний датчик тиску [20]

У конкретних конструкціях формуються складні форми діафрагм, що дозволяють одержати комбінації лінійності, чутливості та частотної характеристики.

2.2 П'єзоелектричний датчик

Дія цього датчика основана на використанні п'єзоелектричного ефекту, при якому при стисненні кристалу на його гранях з'являються електричні заряди. Такі датчики не потребуються зовнішнього збудження. Схема датчика показана на рис.2.3.



Рис.2.3. П'єзоелектричний датчик тиску [20]

Під дією тиску діафрагма натискає на кристал і на тому з'являється напруга, що пропорційна тиску. Ці датчики доцільно застосовувати, якщо вимірюється тиск, що швидко змінюється. Головна якість цих датчиків - високі динамічні характеристики (частоти до десятків МГц). Реальна конструкція такого датчика показаний на рис.2.4.

Рис.2.4. Конструкція п'єзоелектричного датчику тиску [20]:

Р - вимірюваний тиск, 1 - п'єзопластини, 2 - гайка з діелектрику, 3 - електричний вивід, 4 - корпус, що є другим виводом, 5 - ізолятор, 6 - металевий електрод.

2.3 Тензорезистивний датчик

Тензорезистивний ефект - зміна електричного опору резистора під впливом розтягування або стиснення. Опір будь-якого дроту залежить від його довжини та зрізу у відповідності до формули:

R = L/S,

де - питомий опір металу при заданій довжині та зрізу;

L- довжина дроту;

S -зріз дроту.

Якщо до цього дроту надати фізичне зусилля, він витягнеться, а його зріз зменшиться. Обидва фактори збільшують опір дроту як резистора. При стисненні ці фактори впливають у зворотному напрямку. Для збільшення впливу тиску дріт вкладають у вигляді багатьох витків на непровідній основі, як це показано на рис.2.5.

Рис.2.5. Конструкція тензорезистивного датчика [20]

Для збільшення чутливості тензорезистивний датчик встановлюють як елемент моста, діагональ якого підключається до входів операційного підсилювача, як це показано на рис.2.6.

Рис.2.6. Схема використання тензорезистивного датчика [20]

Зміна опору тензорезистивного датчика R1 призводить до зміни напруги в діагоналі мосту, яка підключена до протифазних входів операційного підсилювача А1. Тому на виході операційного підсилювача напруга V0 є підсиленим сигналом збільшення або зменшення сигналу тензорезистивного датчика.

Фірма Tekscan Technology виробляє тензодатчики у вигляді тонких плівок, які можна розмістити між будь-якими поверхнями. Опір плівки максимальний при відсутності тиску і зменшується при зростанні тиску. Якщо від плівки зробити декілька відводів, то можна вимірювати профілі тиску. Фірма виробляє також матриці датчиків, які дозволяються досліджувати двомірні профілі тиску. На рис.2.7. показана схема такого датчика та інтерфейсні пристрої до неї. Такі датчики використовуються, наприклад, для вимірювання тиску у медичних пристроях (протезах, тощо).

У якості тензорезисторів можуть використовуватись напівпровідникові матеріали, але вони мають більш високу температурну залежність. Якщо у мікросхемі зробити термокомпенсацію, то датчики такого типу можуть працювати як сканери тиску з великою кількістю точок вимірювання і з великою швидкість опитування.

Рис.2.7. Матриця датчиків для двомірних вимірювань тиску [21]

2.4 Датчики рівня рідини

Рідкі матеріали (паливо, олія, вода тощо) звичайно зберігаються у металевих ємностях. Скільки рідини залишилось в цій ємності потрібно знати увесь час. У давні часи робили скляні вікна, через які можна було бачити рівень. Але ці вікна розбивались, засмічувались, це було найслабкіше місце в усій конструкції. Використовувались також поплавці, відстань до яких контролювалась. Сучасні засоби дозволяють більш надійно визначати рівень рідини. Використання датчику тиску показане на рис.2.8.



Рис.2.8. Датчик тиску у якості датчика рівня рідини [21]

У донній частині контейнеру роблять порт для підключення датчику тиску. Зрозуміло, що чим вище рівень рідини, тим більший тиск у донній частині контейнеру. Звичайно, цей тиск треба перерахувати у рівень в залежності від питомої щільності рідини.

Ємнісний датчик тиску показаний на рис.2.9.

У рідину встановлюється вертикальний конденсатор, довжина якого дорівнює висоті контейнера. Частина конденсатора знаходиться у повітрі, діелектрична постійна якого = 1, а частина - у рідині з більшою діелектричною постійною . Чим вище рівень рідини, тим більша ємність конденсатора. Масла мають діелектричну постійну між 1,8 та 5, гліцерин - 37, а водні розчини різних речовин - від 50 до 80. У якості другої обкладинки конденсатора можна використовувати стінку контейнера. Якщо рідина електропровідна, то пластини конденсатору треба покрити ізоляційною плівкою.

Рис.2.9. Ємнісний датчик тиску [20]

2.5 Ультразвуковий датчик рівня рідини

Даний датчик закріплюється на верхній кришці контейнера. Він випромінює ультразвуковий імпульс, який відбивається від поверхні рідини. По запізненню прийнятого імпульсу відносно випроміненого можна визначити рівень рідини. Використання такого датчика показане на рис.2.9.1.

Рис.2.10 Ультразвуковий датчик рівня рідини [21]

РОЗДІЛ 3. МЕТОДИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИСКУ

Датчик тиску складається з первинного перетворювача тиску, у складі якого чутливий елемент і приймач тиску, схеми вторинної обробки сигналу різних по конструкції корпусних деталей та пристрої виведення рис.3.1. Основною відмінністю одних приладів від інших є точність реєстрації тиску, яка залежить від принципу перетворення тиску в електричний сигнал: тензометричний, п'єзорезистивний, ємнісний, індуктивний, резонансний.

Рис.3.1. Блок-схема перетворювача тиску в електричний сигнал [23]

1-чутливий елемент; 2-приймач тиску; 3-перетворювач тиску; 4-вимірювальний перетворювач тиску.

3.1 Тензометричний метод

В даний час основна маса датчиків тиску в нашій країні випускаються з урахуванням чутливих елементів рис.3.2, принципом яких є вимірювання деформації тензорезисторів, сформованих в епітаксіальних плівках кремнію на підкладці з сапфіру (КНС), припаяної твердим припоєм до титанової мембрани.

Принцип дії тензоперетворювача заснований на явищі тензоеффекта в матеріалах. Чутливим елементом служить мембрана з тензорезисторами, з'єднаними в мостову схему. Під дією тиску вимірюваного середовища мембрана прогинається, тензорезистори міняють свій опір, що призводить до розбалансу мосту Уїтстона. Розбаланс лінійно залежить від ступеня деформації резисторів, і від прикладеного тиску.

Рис.3.2. Спрощений вигляд тензорезистивного чутливого елемента[23]

Слід відзначити, принципове обмеження КНС перетворювача - фатальна тимчасова нестабільність градуювальної характеристики і суттєві гістерезисні ефекти від тиску і температури. Це зумовлено неоднорідністю конструкції і жорстким зв'язком мембрани з конструктивними елементами датчика. Тому, вибираючи перетворювач на основі КНС, необхідно звернути увагу на величину основної похибки з урахуванням гістерезису і величину додаткової похибки.

До переваг можна віднести хорошу захищеність чутливого елемента від впливу будь-якого агресивного середовища, налагоджене серійне виробництво, низьку вартість.

3.2 П'єзорезистивний метод

Практично всі виробники датчиків виявляють жвавий інтерес до використання інтегральних чутливих елементів на основі монокристалічного кремнію. Це обумовлено тим, що кремнієві перетворювачі мають на порядок більшу тимчасову і температурну стабільності в порівнянні з приладами на основі КНС структур.

Кремнієвий інтегральний перетворювач тиску представляє собою мембрану з монокристалічного кремнію з дифузійними п'єзорезисторами, підключеними в міст Уїтстона рис.3.3. Чутливим елементом служить кристал ІПД, встановлений на діелектричне підставу з використанням легкоплавкого скла або методом анодного зрощування.

Рис.3.3. Кремнієвий інтегральний перетворювач тиску[23]

Для вимірювання тиску чистих неагресивних середовищ застосовуються рішення, засновані на використанні чутливих елементів, без захисту, або з захистом силіконовим гелем рис.3.4.

Рис.3.4. Рішення для п'єзорезистивних чутливих елементів з використанням захисного покриття[23]

Для вимірювання агресивних середовищ і більшості промислових застосувань, застосовується перетворювач тиску в герметичному метало-скляному корпусі, із роздільною діафрагмою з нержавіючої сталі, що передає тиск вимірюваного середовища на ІПД за допомогою кремнійорганічної рідини рис. 3.5.

Рис.3.5. Перетворювач тиску захищений від вимірюваного середовища за допомогою корозійно-стійкої мембрани[23]

Основною перевагою п'єзорезистивних дачткіков є більш висока стабільність характеристик в порівнянні з КНС перетворювачами. ВПС на основі монокристалічного кремнію стійкі до впливу ударних і знакозмінних навантажень. Якщо не відбувається механічного руйнування чутливого елемента, то після зняття навантаження він повертається до початкового стану, що пояснюється використанням ідеально-пружного матеріалу.

3.3 Ємнісний метод

Ємнісні перетворювачі використовують метод зміни ємності конденсатора при зміні відстані між обкладками. Відомі керамічні або кремнієві ємнісні первинні перетворювачі тиску та перетворювачі, виконані з використанням пружною металевою мембрани. При зміні тиску мембрана з електродом деформується і відбувається зміна ємності. В елементі з кераміки або кремнію, простір між обкладинками зазвичай заповнений маслом або іншою органічною рідиною рис. 3.6

Рис.3.6. Ємнісний перетворювач тиску[23]

У даному варіанті роль рухомої обкладки конденсатора виконує металева діафрагма. Перевагою чутливого ємнісного елемента є простота конструкції, висока точність і тимчасова стабільність, можливість вимірювати низькі тиски і слабкий вакуум. До недоліку можна віднести нелінійну залежність ємності від прикладеного тиску.

3.4 Резонансний метод

Резонансний принцип використовується в датчиках тиску на основі вібруючого циліндра, струнних датчиках, кварцових датчиках, резонансних датчиках на кремнії. В основі методу лежать хвильові процеси: акустичні або електромагнітні. Це і пояснює високу стабільність датчиків і високі вихідні характеристики приладу. Приватним прикладом може служити кварцовий резонатор рис.3.7. При прогині мембрани, відбувається деформація кристалу кварцу, підключеного в електричну схему.У результаті зміни тиску частота коливань кристала змінюється. Підібравши параметри резонансного контуру, змінюючи ємність конденсатора або індуктивність котушки, можна домогтися того, що опір кварцу падає до нуля - частоти коливань електричного сигналу і кристала збігаються - настає резонанс.



Рис.3.7. Спрощений вигляд резонансного чутливого елемента, виконаного на кварці[23]

Перевагою резонансних датчиків є висока точність і стабільність характеристик, яка залежить від якості використовуваного матеріалу. До недоліків можна віднести індивідуальну характеристику перетворення тиску, значний час відгуку, не можливість проводити вимірювання в агресивних середовищах без втрати точності показань приладу.

3.5 Індуктивний метод

Індукційний спосіб заснований на реєстрації вихрових струмів (струмів Фуко). Чутливий елемент складається з двох котушок, ізольованих між собою металевим екраном рис.3.8. Перетворювач вимірює зміщення мембрани за відсутності механічного контакту. У котушках генерується електричний сигнал змінного струму таким чином, що заряд і розряд котушок відбувається через однакові проміжки часу. При відхиленні мембрани створюється струм у фіксованій основний котушці, що призводить до зміни індуктивності системи. Зсув характеристик основний котушки дає можливість перетворити тиск у стандартизований сигнал, за своїми параметрами прямо пропорційний прикладеному тиску.



Рис.3.8. Принципова схема індукційного перетворювача тиску[23]

Перевагою такої системи, є можливість вимірювання низьких надлишкових і диференціальних тисків, досить висока точність і незначна температурна залежність. Однак датчик чутливий до магнітних впливів, що пояснюється наявністю котушок, які при проходженні змінного сигналу створюють магнітне поле.

ВИСНОВКИ

датчик тиску кремнієвий

Виконавши дану комплексну курсову роботу можна сформулювати її результати у вигляді наступних узагальнюючих висновків:

1. Розглянули кремнієві датчики. Вони є найбільш дешевими і відносно простими у конструкції. Характеризуються такими перевагами, як висока чутливість, лінійність шкали, незначний гістерезис, компактна конструкція та економічна планарна технологія виготовлення, малий час спрацювання, а недолік, зумовлений підвищеною температурною чутливістю, можна у більшості випадків скомпенсувати.

2. Перевагою датчиків на основі тонких плівок перед ємнісними є простота технологій виготовлення,термічна стабільність,та їх хімічна стійкість до активних середовищ.До недоліків відноситься те, що дана конструкція датчиків не має захисту резистивного елемента, тому ресурс їх роботи декілька днів через процеси старіння, гістерезис показників, погану відтворюваність результатів.

3. Використання технології інтегральних мікросхем дозволяє отримувати на одному пружному елементі сукупність тензочутливості компонентів, об'єднаних у схему, наприклад, повну резистивную мостову схему, що складається з різних тензочутливості компонентів - тензотранзистори і тензорезисторів. Це дозволяє поліпшити характеристики перетворювача і, в першу чергу, його чутливість при тих же самих геометричних розмірах. Установлено, що датчики тиску відносять до найбільш поширених у техніці. Вони знаходять застосування у таких областях, як електроніці, у клавіатурах комп'ютерів, пультах мобільних телефонів, відеокамерах, в медицині, для вимірювання артеріального тиску.

ЛІТЕРАТУРА

датчик тиску кремнієвий

1 Стрыгин В.В. Основы автоматики и вычислительной техники.- Москва: Энергоиздат, 1981.- 194 с.

2 Проценко І.Ю., Шумакова Н.І. Датчики неелектричних величин.- Суми: СумДУ, 2003.- 80 с.

3 Проценко І.Ю., Шумакова Н.І. Технологія одержання і застосування плівкових матеріалів.- Суми: СумДУ, 2007.- 198 с.

4 Выглеб Г. Датчики. Устройство и применение.- Москва: Мир, 1989.- 196 с.

5 Келим Ю.М. Электро-механические и магнитные элементы систем автоматики. - Москва: Высшая школа, 1991.- 226 с.

6 www.sensorika.ru/shamrakov.html - Шамраков. Перспективи розвитку п'єзоелектричних датчиків швидкозмінного, імпульсного і акустичного тисків.

7 Казарян А. Плёночные датчики давления.- Москва: Бумажная галерея, 2006.- 320 с.

8. Гигантское магнитосопротивление С.А.Никитин// Ж. Соросовский образовательный. - 2004. - Т. 8, № 4. - С.92-98.

9.Dieny B. Giant magnetoresistance in spin-valve multilayers // J.Magn. Magn. Mater. - 1994. - V. 136. - P. 335-359.

10.Огнев А.В. Магнитная анизотропия Co/Cu/Co пленок с косвенной обменной связью / Огнев А.В., Самардак А.С., Воробьев Ю.Д. [и др.] // Физика твердого тела. - 2004. - Т. 46, № 6. - С. 1054-1057.

11.Lasyuchenko O., Odnodvoretz L., Protsenko I. Microscopic theory of thensosensibility of multi-layer polycrystalline films// Cryst. Res. Technol.- 2000. 12.Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBMPC/ Под ред. У.Томпкинса и Дж. Уэбстера.- Москва: Мир, 1992.- С. 367-369.

13.Островская А.С., Варшава С.С. Резистивные датчики на основе микрокристаллов арсенида-фосфида галлия //Приборы и системы управления.- 1989.- № 7.- С.30-31.

14.Панков Ю.М., Марьмова И.И. Тонкопленочные германиевые тензорезисторы, полученные ионно-плазменным распылением// Там же.- С. 31.

15.Naboka M.N., Marincheva V.E., Tupikina V.N. Films sensor materials based on europium monosulphide and samarium // Functional materials.- 1999.- V.6, № 5.- P. 903-907.

16.Годжаев Э.М., Садыгова Х.О., Аллахяров Э.А. Тензометрические свойства монокристаллов Tl InTe₂ //Неорг. материалы.- 1994.- Т.30, № 6.- С. 859-860.

17.Каринов Х.С. О тензочувствительности низкоразмерных органических материалов// ЖТФ.- 1994.- Т.64, Вып.1.- С. 194-196.

18.Васильева Н.П., Касаткин С.И., Аверин Н.М. и др. Разработка тонкопленочных двухслойных магниторезистивных датчиков// Приборы и системы управления.- 1995.- № 2.- С. 24-26.

19.Ravlik A.G., Roshchenko S.T., Samophalov V.N. et all. New magnetoresistive elements based on W.Thomson effect// Functional materials.- 1999.

20. Поліщук Є.С. Методи та засоби вимірювань неелектричних величин. -- Львів: Вид. Державного університету «Львівська політехніка», 2000.- 360 с.

21. Прибитько І.О., Папушин Ю.Л., Білецький В.С Залишкові напруження у зварних з'єднаннях різнорідних матеріалів // Вісн. Черніг. держ. технол. ун-ту. - 2001. - №13. - С.94-99.

22. Прибытько И.А., Олексиенко С.В. Проектирование сварных узлов датчиков давления // Международная конференция “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций”: Сборник тезисов стендовых докладов. - Киев. - 2005. - С.37.

23. Брюэр Дж.Р., Гринич Д.С., Херриот Д.Р. и др. Электронно-лучевая технология в изготовлении микроэлектронных приборов.

24. Пат. 98073761 Україна, G01B7/16. Чутливий елемент тензодатчика/ Однодворець Л.В., Проценко С.І., Чорноус А.М. - 30031144А; Заявл.14.07.1998; Опубл. 15.12.2000, Бюл. №7-11. - С. 1.190.

Размещено на Allbest