«Тонкоплівковий ємнісний сенсор тиску» сторінка 3

1 2 3 4 5 6 7

Ім'я файлу: Курсова_робота_ст_гр_МТ_42_Вонса_Миколи 2.docx
Розширення: docx
Розмір: 1108кб.
Дата: 27.04.2022
скачати

Рисунок 1.2.2.2 – Схема п’єзоелектричного датчика вбудованого у трубку

У деяких випадках п’єзоелектричні датчики можуть піддаватися дії теплового шоку (раптової зміни температури), викликаного випромінювальним теплом або потоком гарячих газів або рідин повз датчик. Це може спричинити зміни на виході через нагрівання кристала, діафрагми або кожуха датчика. Слід зауважити, що це не те саме, що чутливість до статичної температури датчика.

Вплив теплового шоку можна мінімізувати конструкцією корпусу та кріпленням датчика для забезпечення ізоляції.

Вихідний сигнал є лінійним в широкому діапазоні, як правило, від 0,7 КПа до 70 МПа (0,1…10000 фунт / кв.дюйм) з точністю близько 1%. Керамічні датчики з часом втрачають чутливість. Але зазвичай це незначні втрати, менше 1% на рік. Також, можуть бути невеликі втрати чутливості при першому впливі на високий тиск і температуру. Цих ефектів можна уникнути, перемикаючи датчик через максимально очікуваний тиск і температуру перед їх установкою[6-7].

Частотна характеристика п’єзоелектричного датчика спадає на низьких частотах, оскільки згенерований заряд не може утримуватися. На високих частотах спостерігається пік, що відповідає резонансній частоті п'єзоелектричного елемента. Датчик зазвичай використовується в плоскій області кривої як показано на рисунку 1.2.2.3.

Рисунок 1.2.2.3 – Частотна характеристика п’єзоелектричного датчика Міцність, висока частота та швидкий час реакції п’єзоелектричних датчиків

тиску означає, що їх можна використовувати в широкому діапазоні промислових застосувань, де вони будуть піддаватися впливу високих температур і тиску.

Вони часто використовуються для вимірювання динамічного тиску, наприклад, у турбулентності, вибухах та двигунах. Всі ці ситуації вимагають високої швидкодії, міцності та широкого діапазону експлуатації.

Чутливість і низьке енергоспоживання також робить п’єзоелектричні датчики корисними для деяких медичних застосувань. Наприклад, тонкоплівковий пластиковий датчик можна прикріпити до шкіри та використовувати для моніторингу артеріального пульсу в реальному часі.
Однією з головних переваг п’єзоелектричних датчиків тиску є їх міцність. Це робить їх придатними для використання в різних суворих умовах.

Не беручи до уваги пов’язану електроніку, п’єзоелектричні датчики можуть використовуватися при високих температурах. Деякі матеріали працюватимуть при температурі до 1000 °C. Чутливість може змінюватися в залежності від температури, але це можна звести до мінімуму за допомогою відповідного вибору матеріалів.

Вихідний сигнал генерується самим п'єзоелектричним елементом, тому вони по суті є пристроями малої потужності.

Сам чутливий елемент нечутливий до електромагнітних перешкод та випромінювання. Підсилювач заряду та інша електроніка повинні бути ретельно спроектовані та розміщені якомога ближче до датчика, щоб зменшити шум та інші помилки сигналу. П'єзоелектричні датчики можна легко виготовити, використовуючи недорогі матеріали (наприклад, кварц або турмалін), тому вони можуть забезпечити дешеве рішення для промислового вимірювання тиску.

Основне обмеження п’єзоелектричних датчиків полягає в тому, що їх можна використовувати лише для динамічного вимірювання тиску. Датчики чутливі до вібрації або прискорення, що може бути поширеним у додатках, де вони використовуються. Це можна звести до мінімуму за допомогою додаткового

«компенсаційного» датчика, прикріпленого до макету. Вихід з нього використовується для корекції прискорення, яке відчуває датчик.

П’єзорезистивні сенсори тиску.

П'єзорезистивні манометри є одними з найпоширеніших типів датчиків тиску. Вони використовують зміну електричного опору матеріалу при розтягуванні для вимірювання тиску.

Ці датчики підходять для різноманітних застосувань через їх простоту та надійність. Вони можуть використовуватися для вимірювання абсолютного, калібрувального, відносного та диференціального тиску, високих і низьких тисків.
Основний принцип п'єзорезистивного датчика тиску полягає у використанні тензодатчика, виготовленого з електропровідного матеріалу, який змінює його електричний опір при його розтягуванні. Тензодатчик може бути прикріплений до діафрагми, яка розпізнає зміну опору при деформації чутливого елемента. Зміна опору перетворюється на вихідний сигнал.

Є три окремі ефекти, які сприяють зміні опору провідника. Це:

опір провідника пропорційно його довжині, тому розтягування збільшує опір;
у міру розтягування провідника площа його поперечного перерізу зменшується, що також збільшує опір;
притаманний опір деяких матеріалів збільшується при його розтягуванні; Останній із них, п’єзорезистивний ефект, сильно різниться між матеріалами.

Чутливість визначається коефіцієнтом калібрування, який визначається як відносна зміна опору, поділена на деформацію:
∆𝑅

𝐺𝐹 = � ^𝑅�, (1.2)

𝜖𝜖

Де деформація визначається як відносна зміна довжини:

𝜖𝜖 =

∆𝐿

_𝐿, (1.3)

Чутливі елементи можуть бути виготовлені з металу або напівпровідного матеріалу.

Зміна опору металевих тензодатчиків переважно пов'язана зі зміною геометрії (довжини та площі перерізу) матеріалу. У деяких металах, наприклад платинових сплавах, п’єзорезистивний ефект може підвищити чутливість в два рази і більше.

У напівпровідникових матеріалах домінує п’єзорезистивний ефект, як правило, на порядок більший, ніж внесок з геометрії.

Зміна опору в датчику зазвичай вимірюється за допомогою мостової схеми Уітстона, як показано на рисунку 1.2.3.1. Це дозволяє перетворити невеликі зміни опору датчика на вихідну напругу[8].

Рисунок 1.2.3.1 – Схема Уітстона для п’єзорезистивних вимірювань.

На місток потрібно подати напругу збудження. Коли немає напруги і всі резистори в мості збалансовані, то вихід буде нульовим. Зміна тиску призведе до зміни опорів на мосту, що призведе до відповідної вихідної напруги або струму. Як це обчислюється, показано у наступній формулі нижче.

𝑉 ₀

= � ^𝑅³

𝑅 ₃+ 𝑅 ₄

₋𝑅 ₂

𝑅 ₂+ 𝑅 ₁
� × 𝑉
_зб, (1.4)

де R_1,R_2,R_3,R₄- номінали резисторів;

𝑉 _зб– напруга збудження.
Чутливість може бути покращена використанням двох або чотирьох чутливих елементів в мосту, причому елементи кожної пари піддаються рівним і

протилежним деформаціям. Це збільшує вихідний сигнал і дозволяє мінімізувати вплив температури на сенсорні елементи.

Один або кілька датчиків деформації, виготовлені з дроту, можуть бути прикріплені до поверхні діафрагми[8].

Тиск на діафрагму розтягне дроти і тим самим змінить опір. Елементи датчика можуть бути прикріплені до поверхні за допомогою клею або провідник може бути безпосередньо нанесений на діафрагму за допомогою розпилення. Останній метод усуває потенційні проблеми клеїв при високих температурах, а також полегшує конструювання невеликих пристроїв.

Датчик з металевого дроту також може бути виготовлений, обмотавши дріт між стовпами, які зміщуються зі зміною тиску. Ця конструкція також може працювати при більш високих температурах, оскільки для кріплення дроту до стовпів не потрібен клей.

Напівпровідні матеріали, найчастіше кремній, також можуть використовуватися для виготовлення манометрів. Характеристики чутливого елемента, зокрема розмір п’єзорезистивного ефекту, можна регулювати допінгом; іншими словами, додаючи до напівпровідника ретельно контрольовані кількості домішок.

Більш слабо легований кремній призводить до більш високого опору і більшого коефіцієнта калібрування. Однак це також збільшує теплову чутливість як опору, так і коефіцієнта розтягування.

Напівпровідникові датчики можуть бути сконструйовані аналогічно датчикам з металевого дроту, накладаючи на діафрагму чутливі елементи з кремнію. Вони також можуть бути побудовані безпосередньо на поверхні кремнію, використовуючи ті самі методи виготовлення, які використовуються для виготовлення електронних напівпровідникових пристроїв. Це дозволяє дешево виготовляти дуже малі датчики з точно керованими властивостями, такими як чутливість, лінійність та температурний режим. Електронні компоненти також можуть бути виготовлені на тій самій кремнієвій мікросхемі для забезпечення фільтрації сигналу та спрощення електричного інтерфейсу.
Щоб забезпечити максимальну точність, потрібно врахувати кілька факторів, які можуть вплинути на вихідний сигнал. Будь-яка зміна або шуми напруги збудження призведе до відповідної зміни на виході датчика. Необхідно буде переконатися, що ці шуми менші за необхідну точність вимірювання.

Є можливість використання регульованого калібрувального резистора у мостовій схемі, щоб встановити вихідну напругу до нуля, коли немає тиску.

Необхідно тримати опір проводів на датчику невеликим, щоб уникнути зміщення вимірювання та зменшення чутливості. Також, температурний коефіцієнт мідних дротів може бути більшим, ніж у датчика, що може ввести небажану теплочутливість.

Більш довгі дроти також частіше сприймають шуми. Це можна звести до мінімуму, використовуючи кручені пари та екранування.

Використання більш високої напруги збудження збільшує вихідний сигнал датчика та покращує співвідношення сигнал / шум. Однак більший струм може спричинити нагрівання чутливого елемента, що змінить опір і чутливість датчика. Таке самонагрівання також може впливати на склеювання клею тензометричного датчика з діафрагмою, що може ввести помилки та призвести до погіршення точності з часом. Ефекти самонагрівання можна зменшити,

використовуючи чутливий елемент з більш високим опором[8].

Оптимальна напруга живлення - це баланс між мінімізацією самонагрівання та отриманням хорошого сигналу. Визначити це можна експериментальним шляхом. Наприклад, без тиску і нульового виходу датчика можна збільшувати напругу збудження до тих пір, поки вихідний сигнал не зміниться (через самонагрівання). Потім напругу збудження слід зменшувати, поки не зникне похибка вихідного сигналу.

Слід використовувати схему підсилювача, близьку до датчика, щоб мінімізувати довжину з'єднання, посилити вихідний сигнал та покращити співвідношення сигнал / шум. Це також може виконати деяку фільтрацію вихідного сигналу датчика для видалення зовнішнього шуму.
Можна мінімізувати наслідки будь-яких змін напруги збудження, наприклад, падіння напруги, викликаних довгими проводами, контролюючи напругу збудження на датчику або віднімаючи його від вихідного сигналу датчика або використовуючи його як опорну напругу для аналогового цифрового перетворювача.

Типові металеві тензодатчики мають коефіцієнт вимірювання приблизно від 2 до 4. При максимальному напруженні в декілька одиниць на тисячу означає зміну вихідного сигналу близько 1 мВ для кожного вольта збудження.

Датчики на основі кремнію зазвичай легуються, щоб забезпечити коефіцієнт вимірювання приблизно від 100 до 200, що дає хороший компроміс між чутливістю та тепловими характеристиками. Вихідний сигнал від кремнієвого датчика може становити близько 10 мВ / В.

П'єзорезистивні датчики тиску мають перевагу в надійності. Їх продуктивність та калібрування також стабільні з часом.

Одним з недоліків цих датчиків є те, що вони споживають більше енергії, ніж деякі інші типи датчиків тиску. Це означає, що вони не підходять для акумуляторних батарей або портативних систем.

Металеві плівкові чутливі елементи мають перевагу у простоті конструкції та довговічності. Вони також мають більш високу максимальну робочу температуру (приблизно до 200 °C), ніж кремнієві датчики, які обмежені 100 °C.

Кремнієві тензодатчики забезпечують набагато більший вихідний сигнал, завдяки чому вони добре підходять для вимірювань низького тиску, приблизно до 2 кПа.

Мікроелектронні датчики можуть бути набагато меншими, ніж датчики металевого дроту і можуть бути інтегровані з електронікою для обробки сигналів, яка може контролювати нелінійність та залежність від температури.

КОНСТРУКЦІЯ ТА ПРОЦЕС ВИГОТОВЛЕННЯ ЄМНІСНОГО СЕНСОРА ТИСКУ

Зменшення масогабаритних розмірів датчиків на даному етапі розвитку мікроелектроніки майже не добитись через створення якої небудь інноваційної конструкції. Натомість розвиток мікро- та наносистемної техніки дав поштовх у розробці методів нанесення матеріалів для отримання мінімальної товщини, тим самим давши змогу не тільки зменшити у багато разів існуючі датчики, а й покращити їх властивості.

Конструкція ємнісного сенсору тиску

Основу тонкоплівкових ємнісних сенсорів тиску складає поліімідна плівка, яка має високу механічну міцність та постійні характеристики в широкому температурному діапазоні. Як правило, використовується плівка типу ПМ-1Э або П аналоги товщиною 10...20 мкм. В сенсорах такого типу чутливий елемент 1 (рис. 2.1.1), виготовлений з поліімідної плівки, знаходиться між основою 2 та гнучкою мембраною 3. На поверхні основи та мембрани методом вакуумного напилення нанесені обкладки 4, а навколо них - захисні екрани 5. Елементи конструкції сенсора з'єднуються за допомогою клею 6 та кріпляться на профілі поверхні 7. З'єднувальні електропровідні виводи металізуються. Тонкоплівкові ємнісні сенсори тиску внаслідок великої їх гнучкості можна розміщати на тілах з великою кривизною, в важкодоступних місцях, на тонких профілях.

1 2 3 4 5 6 7

скачати