Стремительное развитие электроники и вычислительной техники позволил осуществлять широкую автоматизацию различных процессов в промышленности, сфере научных исследований, в повседневной жизни. Реализация этой автоматизации в значительной мере определяется возможностью устройств получать информацию об определенном параметре или процессе, которые называются датчиками. Применение датчиков не ограничивается только автоматизированными системами, поскольку они могут выполнять также функции элементов измерительных систем.
Актуальность темы. В нынешних условиях приоритетного развития таких отраслей промышленности, как в электронике, машиностроение, ракетостроение, самолетостроение, автомобилестроение невозможно обойтись без использования надежных систем управления, контроля и диагностирования. Основным элементом подобных систем является первичный преобразователь неэлектрических величин (датчик). Датчики реагируют на внешние раздражители, в частности, температуру, давление, свет, звук, электрический ток, магнетизм, радиацию, волновое излучение, ускорение, перемещение и прочее, превращая их в электрические сигналы.
В последние годы развился в самостоятельное направление измерительной техники — сенсорика, которая объединяет технику конструирования, изготовления и применения датчиков.
Технология изготовления датчиков подобная известных способов изготовления полупроводниковых интегральных схем: кремниевая и тонкопленочная технологии. Следует отметить, что все три вида технологий позволяют изготавливать датчики с высокой стабильностью, допускают миниатюризацию, высокую рентабельность производства при малых затратах, а в последних двух случаях и широкий температурный интервал функционирования датчиков. Кстати, измерительное оборудование вы можете приобрести на страницах нашего специализированного сайта.
Цель данной работы заключается в ознакомлении с конструкциями различных датчиков давления, установление перспектив их развития в будущем.
РАЗДЕЛ 1. ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ
1.1 Классификация датчиков давления
На практике бывают случаи, когда измеряемую величину нельзя сразу превратить в электрическую. В этих случаях применяются датчики с двукратным преобразованием. Элемент датчика, осуществляет первое превращение, называется чувствительным элементом.
Примером датчика с двукратным преобразованием может быть датчик давления, который преобразует давление жидкости или газа в электрическую величину. Чувствительный элемент такого датчика преобразует давление среды в перемещение, которое измеряется датчиком перемещения. Как чувствительные элементы часто используются мембраны и сильфоны.
Устройство датчика мембранного типа показан на рис. 1.1,а.
Рис. 1.1. Датчики давления: а — мембранный; б — сильфонный для газов; в — сильфонный для жидкостей
На конце трубопровода крепится тонкая пластина. Эта пластина и называется мембраной. Под действием давления жидкости или газа центр мембраны прогибается и перемещает рычаг потенциометра, при перемещении которого изменяется выходное сопротивление датчика.
Датчик сильфонного типа является тонкостенной гофрированной трубкой из упругого материала, один конец которой жестко соединен с рычагом потенциометра (рис. 1.1,б). Под действием давления газа сильфон растягивается, что приводит к перемещению рычага потенциометра.
Применяется также и другая конструкция сильфонного датчика (рис. 1.1, в), что является пустотелым сосудом, внутрь которой встроен сильфон. Жидкость под давлением Р поступает в полость сосуда, в результате чего сильфон, сжимаясь, перемещает рычаг потенциометра.
Сила давления жидкости в данном сильфоні определяется по формуле:
ScP = m + Dtp + kcl,
где m — масса жидкости в сильфоні;
l — перемещение движка потенциометра;
DТР — коэффициент вязкого трения;
kc — коэффициент упругости сильфона;
Sc — площадь сильфона.
1.2 Виды датчиков давления. Конструкция и принцип работы
1.2.1 Кремниевые датчики
Датчики давления относят к наиболее распространенным в технике. Наиболее дешевым и относительно простым в конструкции являются кремниевый датчик. Его изготавливают из пластины кремния, часть которой витравляють до образования тонкой мембраны. Методом ионной имплантации на мембране формируются резестивні элементы и соединения. Во время давления мембрана прогибается, что обусловливает деформацию резистора через отверстие в корпусе датчика давления и, как следствие этого, изменение электрического сопротивления (так называемый тензоефект). Конструкционно толщина мембраны, геометрическая форма и количество резисторов определяются интервалом допустимых давлений. Измерительная схема датчика давления представляет собой мост из четырех однотипных резисторов (рис. 1.2,а).
Резисторы R1 — R4 соединяются так, что при деформации мембраны величины R1 и R3 увеличиваются, а R2 и R4 — уменьшаются.
Рис.1.2. Измерительный мост из четырех резисторов, которые составляют датчик давления (а) и рабочая характеристика кремниевого датчика при двух температурах (б)
Это позволяет достичь высокого чувствительности измерительного моста. Выходное напряжение вычисляется по соотношению:
UB = U0,
где UB — выходное напряжение;
U0 — входное напряжение.
Зависимость UВ от давления Р имеет линейный характер, угловой коэффициент которой зависит от температуры измерения (1.2, б). Поскольку выходной сигнал достаточно слабый (~10-1 В), то применяется операционный усилитель, что дает UВ ~ 1 В. Для измерения с повышенной точностью необходимо дополнительно компенсировать температурную погрешность датчиков. Применяются два метода компенсации: пассивная — за
помощью резистора и датчика температуры, которые включаются во входную участок моста (датчик температуры — параллельно мосту), и активная — с помощью операционного усилителя, которая полностью устраняет температурную погрешность.
Кремниевые датчики давления характеризуются такими преимуществами, как: высокая чувствительность; линейность шкалы; незначительный гистерезис; компактная конструкция и экономическая планарная технология изготовления; малое время срабатывания.
Недостаток, обусловленный підвищєною температурной чувствительностью, можно в большинстве случаев скомпенсировать.
Кремниевые датчики давления применяются в стиральных машинах, аппаратах измерения кровяного давления, в автомобилях (регулировки зажигания, измерения давления при разрежении топлива, давления масла и сжатого воздуха в тормозной системе и др.).
Датчики давления, которые выпускают наиболее известные фирмы (Motorola, Honeywell, Volvo, Siemens и др.), позволяют перекрывать интервал давлений 0-10*105 Па и температур -40 — +125 ?С, а также работать в вакууме и в различных газовых средах.
1.2.2 Датчики давления на основе двухслойной металлической пленки
Принцип работы датчика давления в полной мере определяется материалом рабочего элемента.В том случае, когда используется тонкопленочный металлический резистор, его чувствительность к давлению связана с тензоефектом. Влияние давления на процессы электропереноса заключается в следующем.
При протекании электрического тока через пленочный резистор электроны проводимости рассеиваются на фононах, границах зерен, внешних поверхностях пленки, дефектах кристаллического строения. Если резистор изготовлен в виде многослойной системы, то возникает новый механизм рассеяния на границе раздела отдельных слоев.
При деформации резистора (речь идет о деформации ~ 1%) изменение сопротивления будет происходить в результате изменения таких параметров: средней длины свободного пробега электронов (л0), коэффициентов прохождения электроном границы зерна (r), зеркальности поверхности (г) и прохождения границы разделения отдельных слоев (Q); возможно также некоторое изменение сопротивления в результате перераспределения и генерации новых дефектов кристаллического строения.
Таким образом, формулу для общего изменения сопротивления можно записать так:
?R=?Rл0 + ?Rr + ?RP + ?RQ + ?RД,
где разные слагаемые дают разный по величине и даже по знаку вклад в изменение ?R.
Рис. 1.3. Датчик давления на основе пленочной системы Cu/Ni :
1-контактная площадка с Си (электролитическое осаждение)/Си (термическое осаждение) /Сг; 2-пленка Cr; 3 — пленка Ni; 4 — пленка Си; 5 — контакт; 6 — уплотнитель
Рассмотрим конструкцию пленочного датчика. Рабочей частью датчика является тонкая (0,5 — 1 мм) тефлоновая или фторопластовая мембрана, на поверхность которой термовакуумною конденсацией наносится чувствительный резистор в виде двухслойной системы Cu/Cr или (Cu/Ni)/Cr (слой Сг используется в основном для улучшения адгезии слоя Си или Ni контактных площадок). Двухслойный резистор Cu/Ni (рис.1.3) более чувствителен к деформации, чем однослойный с Си. Материал мембраны выбирается из тех соображений, что и тефлон и фторопласт имеют хорошие вакуумные свойства и низкую остаточную деформацию. Электрические контакты присоединяются к контактным площадкам с помощью мікропаяння [2].