Датчики тиску: фізичні основи роботи, конструктивно-технологічні особливості

Класифікація кремнієвих датчиків тиску, конструкція та принцип їх роботи, пристій для калібрування. Переваги датчиків на основі тонких плівок перед ємнісними. Використання технології інтегральних мікросхем, сфера їх застосування. Електронний барометр.
Краткое сожержание материала:

3

Размещено на

Размещено на

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 наведе...