Ім'я файлу: Курсова_робота_ст_гр_МТ_42_Вонса_Миколи 2.docx
Розширення: docx
Розмір: 1108кб.
Дата: 27.04.2022
скачати
Розширення: docx
Розмір: 1108кб.
Дата: 27.04.2022
скачати
Мiнiстерство освiти i науки України
Нацiональний унiверситет
«Львiвська полiтехнiка»
Iнститут IКТА
Кафедра IВТ
Курсова робота
на тему:
«Тонкоплівковий ємнісний сенсор тиску»
З дисциплiни:
Сенсори
Виконав:
Ст.гр.МТ-42
Вонс Микола
Прийняв:
Ришковський О.П.
ЗМІСТ
ВСТУП 4
МІКРОЕЛЕТРОННІ СЕНСОРИ ТИСКУ 5
Класифікація та принцип роботи сенсорів тиску 7
Огляд та порівняння існуючих сенсорів тиску 11
Ємнісні датчики тиску 11
П’єзоелектричні сенсори тиску 15
П’єзорезистивні сенсори тиску. 21
КОНСТРУКЦІЯ ТА ПРОЦЕС ВИГОТОВЛЕННЯ ЄМНІСНОГО СЕНСОРА ТИСКУ 27
Конструкція ємнісного сенсору тиску 27
Тонкоплівкова технологія та процес виготовлення тонкоплівкого ємнісного сенсора тиску 31
Термо-вакуумне напилення 33
Електронно-променеве напилення 34
Імпульсне лазерне осадження 37
Золь-гелевий метод 38
Покриття зануренням 40
2.2.7. Метод хімічного осадження у ванні 41
Технологія виготовлення тонкоплівкових ємнісних сенсорів тиску з використанням поліімідних плівок 42
ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТА ОСОБЛИВОСТЕЙ ДАТЧИКА ТА АНАЛІЗ ПЕРСПЕКТИВНОСТІ ВИКОРИСТАННЯ ТАКОГО СЕНСОРА 46
Переваги та основні особливості тонкоплівкового ємнісного сенсора тиску
...................................................................................................................................... 46
Сфери та перспективність використання обраного сенсора 50
ВИСНОВКИ 54
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 55
ВСТУП
Останнім часом мікроелектронні ємнісні сенсори тиску отримують більшу перевагу перед мікроелектронними п’єзорезистивними та п’єзоелектричними датчиками тиску за рахунок високої чутливості, низького енергоспоживання, відсутності температурних впливів, сумісності інтегральних систем, тощо. Спектр застосування ємнісних датчиків тиску збільшується, тому важливо переглянути шлях технологічного розвитку та подальшу перспективу використання даного сенсора з використанням останньої технології мініатюризації – технології тонких плівок.
Ця робота зосереджена на огляді актуальних типів датчиків тиску та сконцентрована на перспективності використання тонкоплівкового ємнісного сенсора тиску та способах підвищення характеристик і зменшення розмірів вибраного типу датчиків. Детально розглянуто конструкцію та способи виготовлення сенсора, характеристики та переваги щодо інших типів датчиків, а також сфери використання тонкоплівкових ємнісних сенсорів тиску.
1 МІКРОЕЛЕТРОННІ СЕНСОРИ ТИСКУ
Тиск необхідно враховувати при проектуванні багатьох хімічних процесів. Тиск визначається як сила діюча на одиницю площі і вимірюється в англійських одиницях – псі або в СІ одиницях - Па.
Існують три типи вимірюваного тиску:
абсолютний тиск - атмосферний тиск плюс надлишковий тиск;
надмірний тиск - абсолютний тиск мінус атмосферний тиск;
диференціальне тиск (різниця тисків між двома точками).
Існують різні типи датчиків тиску, які сьогодні доступні на ринку для використання в промисловості. Кожен з них має переваги в певних ситуаціях.
Для того щоб контрольована тиском система працювала правильно і ефективно, важливо, щоб використовуваний датчик тиску міг давати точні свідчення в міру необхідності і протягом тривалого періоду часу без необхідності ремонту або заміни в умовах роботи системи. Існує кілька факторів, що впливають на придатність конкретного датчика тиску для конкретного процесу. Основні це:
характеристики використовуваних речовин в середовищі яких буде використовуватися пристрій;
умови навколишнього середовища;
діапазон тисків;
рівень точності і чутливості, необхідні в процесі вимірювання.
Чутливий елемент (пружний елемент) буде піддаватися впливу речовин, що використовуються в процесі, тому матеріали датчика, які можуть реагувати з цими речовинами або зазнавати впливу агресивних середовищ - непридатні для використання. Мембрани (діафрагми) є оптимальними навіть для дуже суворих умов використання.
Навколишнє середовище (в технологічному процесі - це середовище створюване речовиною, вібрація, температура і т.д.), в якій проводиться технологічний процес, також повинне бути враховане при виборі датчика тиску.
В агресивних середовищах, при сильних вібраціях в трубопроводі, або при екстремальних температурах, датчики повинні мати додатковий рівень захисту. Герметичні, міцні корпуси з заповненням матеріалом, що містить гліцерин або силікон - часто використовуються для того, щоб захистити внутрішні компоненти датчика (крім чутливого елемента) від дуже жорстких, агресивних середовищ і коливань.
Більшість процесів працюють в певному діапазоні тисків. Оскільки конкретні датчики тиску працюють оптимально в конкретних діапазонах тиску, існує необхідність вибрати пристрої, здатні функціонувати в діапазоні, встановленому процесом.
Різні процеси вимагають різних рівнів точності. Загалом, чим точніше датчик, тим він дорожчий, таким чином, буде економічно вигідно вибрати датчики, які здатні максимально задовольнити необхідну точність. Існує також компроміс між точністю і здатністю швидко виявляти зміни тиску. Отже, в процесах, в яких тиск сильно змінюється протягом коротких періодів часу - недоцільно використовувати датчики, яким потрібно більше часу, щоб дати точні свідчення тиску, хоча вони і могли б дати більш точні значення.
За останні роки технології мікроелектроніки зробили значний крок. Проте, такі галузі як автомобілебудування, космо- та авіабудування та інші мають потребу у постійній мініатюризації та підвищенні характеристик використовуваних сенсорів. Тому постає задача зменшення масо-габаритних розмірів, підвищення опору середовищу, підвищення чутливості та характеристик в цілому[1].
Класифікація та принцип роботи сенсорів тиску
Для вимірювання механічних величин сенсори поділяють на сенсори ємнісного, п’єзорезистивного, магнітопружного, індуктивного, п’єзоелектричного, піроелектричного та акустоелектронних типів.
За конструктивними та технологічними ознаками мікроелектронні сенсори механічних величин поділяються на напівпровідникові, тонкоплівкові та товстоплівкові, а за типом конструкції – на об’ємні та плоскі[1].
Принцип дії ємнісних сенсорів оснований на зміні ємності чутливого елемента – діафрагми внаслідок дії сили, тиску або прискорення. У більшості випадків ємнісні сенсори включаються в мостову схему. На виході сенсора у вигляді сигналу електричної напруги виходить перетворена за допомогою модулятора несучої частоти і підсилювача величини неузгодженості моста, яка спричинена зміною реактивного опору сенсора. Через ці особливості, цей спосіб обробки сигналів вимагає дорогої електроніки та елементів узгодження мостової схеми, ускладняється можливість інтегрування. Також, при великих значеннях несучої частоти можлива нестабільність ємнісної мостової схеми.
Існує інший метод узгодження ємнісного сенсора з зовнішньою схемою – метод резонансної частоти. Таким чином, ємнісний сенсор входить до складу коливального контуру, а рівень вихідного сигналу визначається величиною резонансної частоти та періодом синусоїдальних коливань. Цей метод має недолік, пов’язаний з нелінійним співвідношенням резонансної частоти та ємності сенсора. Виправити цей недолік можна за допомогою диференційних конденсаторів.
Ємнісні сенсори статичних деформацій включають у мостові схеми змінного струму, а ємнісні сенсори динамічних деформацій – від джерела постійного струму. Для досягнення високої чутливості в ємнісних сенсорах використовуються джерела поляризації з великими напругами (більше 100 В) і вибираються відносно малі значення сумарної ємності. Завдяки конструкції на основні конденсатора, мають гарну надійність та стійкість до вібрацій. Час відповіді - це порядку мілісекунд, а у випадку пристроїв MEMS - ще швидше. Ємнісні датчики демонструють низький
гістерезис і хорошу повторюваність вимірювань. Вони також мають низьку температурну чутливість і можуть вимірювати широкий спектр пульсацій тиску. Основним недоліком ємнісних сенсорів є велика чутливість до струмів витоку, тому широке застосування отримали ємнісні сенсори з електронною схемою перетворення на виході ємності в частоту[1-3].
Тензометричні сенсори мають просту і надійну конструкцію, вимірюють тиск у широкому частотному і температурному діапазоні. Принцип дії оснований на використанні п’єзорезистивного ефекту. На основі цього ефекту розроблено цілий клас перспективних і сучасних сенсорів тиску для застосування в різних галузях. Конструкція тензометричних датчиків складається із тензочутливого елемента (тензорезистора або тензочутливої плівки), який має контакт з діафрагмою, яка в свою чергу контактує з вимірюваним тілом. Живлення здійснюється змінною і постійною електричною напругою. Недоліками тензометричних сенсорів є високі вимоги до чистоти вихідних матеріалів, складність технології виготовлення, висока температурна залежність тензочутливості та висока вартість.
Індуктивні сенсори зі змінним повітряним зазором є надійними через свою просту конструкцію. Такі сенсори мають невеликий вихідний електричний опір, проте їх механічна міцність на кілька порядків нижча ніж у магнітопружних аналогів. Простий індуктивний датчик (однотактний) складається з котушки індуктивності із сердечником і рухомим якорем, відділеним від сердечника повітряним зазором. Вимірювальним колом може служити будь-яка мостова схема, придатна для індуктивних сенсорів. Зручно використовувати в диференційних схемах[4]. У порівняні із напівпровідниковими та ємнісними аналогами індуктивні сенсори є більш громіздкими, мають менший робочий діапазон частот(до 5кГц) та низьку чутливість. Диференційні індуктивні сенсори частково позбавлені цих недоліків. Однак їхніми перевагами є висока надійність, опір до зовнішніх впливів та високу зносостійкість.
П’єзоелектричні датчики тиску використовують п’єзоелектричний ефект – виникнення ЕРС під дією тиску. Серед матеріалів застосовують кварц, сегнетову сіль, дигідрофосфат амонію, сульфат літію, титанат барію, а також
п’єзлоелектричні композиційні матеріали (електрети): полівінілделфторид, полівінілфторид та інші. Основними типами деформації, що використовуються в конструкції п’єзоелектричних датчиків є деформація по довжині, товщині і об’єму (об’ємна деформація). П’єзоелектричні сенсори чутливі до зовнішніх впливів, їх чутливі елементи повинні бути захищені від вібрацій та ударів. П’єзоелектричний датчик слід використовувати для вимірювання швидкозмінних тисків. У разі, якщо тиск змінюється повільно – зростає похибка перетворення через “стікання” електричного заряду з пластин на корпус. Вирішити цю проблему можна за допомогою паралельно включеного конденсатора, проте при цьому зменшиться напруга на виходах датчика. Сенсори на основі п’єзоелектричних плівок, незважаючи на малий об’єм і розміри, не знайшли широкого застосування. Крім високої віброчутливості, їм притаманний піроелектричних ефект. Через вплив явища піроелектричного ефекту важко відрізнити вихідні значення сенсора від зміни амплітуди коливання чи тиску від періодичних змін індукованої температури газух[4].
Принцип роботи піроелектричного сенсора оснований на піроелектричному ефекті – реєстрації періодичних змін температури газу, зумовлених адіабатним характером поширення тиску. Матеріалом є напівкристалічна орієнтована плівка, яка в складі сенсора з чутливою площадкою, забезпечує високу інтегральну чутливість близько 120 В/Вт на 1мм2 та ємність не менше 40 пФ на 1м2. Сенсори виконуються на підкладці з поліамідної плівки, для чутливого елемента використовується тетраамінодифеніл. Основним методом виготовлення таких датчиків є метод термічного випаровування.
Таблиця 1.1 – Короткі відомості основних типів сенсорів тиску
| Тип | Принцип роботи | Діапазон вимірюван ня | Похибк а | Переваги | Недоліки |
| Ємнісний | Відхилення діафрагми, що є однією з пластин конденсатора, під дією сили викликає зміну ємності | 7011а- 1.4 МПа | 0.05 | Висока точність та чутливість; міцність; висока термостабільніс ть робочих характеристик | Висока вартість; непридатніс ть при високому тиску |
| Індуктивний | Відхилення діафрагми під дією тиску зумовлює зміну індуктивності моста або диференційно го трансформато ра | 280Па - 70 МПа | 0.5 | Великі вихідні сигнали; широкий діапазон вимірювання | Температурна нестабільність; чутливість до ударів та вібрацій |
| П’єзорезистивн ий | Зміна опору чутливого елемента під дією тиску | 3.5кПа- 70 МПа | 0.025- 0.5 | Висока чутливість; малий гістерезис; міцність; широкий температурний діапазон | Низькі вихідні сигнали; чутливість до зміни температури |
| П’єзоелектричн ий | Поява електростатич ної напруги на кристалі кварцу або сегнетової солі під дією тиску | 0.7 кПа- 70 МПа | 1 | Не потрібне джерело збуджуючої напруги; широкий діапазон вимірювання тиску; широкий температурний діапазон | Низькі вихідні напруги; низька точність; недостатня стабільність |
Огляд та порівняння існуючих сенсорів тиску
Перші манометри були чисто механічними. Вони використовували такі механізми, як діафрагма або «трубка Бурдона», які змінювали форму під тиском для переміщення вказівника на циферблат.
Сучасний розвиток промисловості та техніки потребує датчики, які б могли задовольнити галузь не лише малими розмірами, а й високою чутливістю, точністю і можливістю працювати у складних агресивних умовах.
З тих пір були розроблені різні методи перетворення механічних переміщень в електричні сигнали. Тут ми розглянемо відносні переваги п’єзорезистивних, ємнісних та п'єзоелектричних датчиків тиску.
Ємнісні датчики тиску
Ємнісні датчики тиску вимірюють тиск, виявляючи зміни в електричній ємності, викликані рухом діафрагми.
Конденсатор складається з двох паралельно провідних пластин, розділених невеликим зазором. Ємність визначається:
𝐴
1 2 3 4 5 6 7