- •Введение
- •1. Общие сведения о датчиках физических величин
- •1.1. Основные характеристики датчиков
- •1.2. Классификация датчиков
- •2. Датчики деформации
- •2.1. Принцип действия
- •2.2. Конструкции тензодатчиков и их параметры
- •2.2.1. Конструкции металлических датчиков
- •2.2.2. Конструкции полупроводниковых датчиков
- •2.2.3. Основные параметры тензорезисторов
- •2.2.4. Тензодиоды и тензотранзисторы
- •2.3. Области применения и типы датчиков
- •Контрольные вопросы
- •3. Датчики температуры
- •3.1. Принцип действия
- •3.1.1. Термопары
- •3.1.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.1.3. Термисторы
- •3.1.4. Позисторы
- •3.1.5. Измерение температуры с помощью диодов и транзисторов
- •3.2. Конструкции и параметры датчиков температуры
- •3.2.1. Термопары
- •3.2.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.2.3. Термисторы
- •3.2.4. Позисторы
- •3.3. Области применения и типы датчиков
- •3.4. Термоанемометрический метод измерения скоростей потока газов и жидкостей
- •Контрольные вопросы
- •4. Твердотельные датчики газов
- •4.1. Принцип действия твердотельных датчиков газов
- •4.1.1. Термокондуктометрические датчики
- •4.1.2. Термохимические (каталитические) ячейки
- •4.1.3. Электрохимическая (топливная) ячейка
- •4.1.4. Полупроводниковые датчики газов
- •4.2. Конструкции и параметры датчиков
- •4.2.1. Термокондуктометрическая измерительная ячейка
- •4.2.2. Термохимическая (каталитическая) ячейка
- •4.2.3. Конструкция и параметры топливных элементов
- •4.2.4. Конструктивные и технологические особенности твердотельных датчиков газов
- •Контрольные вопросы
- •5. Датчики магнитного поля
- •5.1. Принцип действия
- •5.2. Преобразователи Холла
- •5.2.1. Технология изготовления и конструкции
- •5.2.2. Основные параметры и свойства
- •5.2.3. Применение преобразователей Холла
- •5.3. Полупроводниковые магниторезисторы
- •5.4. Магниторезисторы из ферромагнетиков
- •5.5. Магнитодиоды
- •5.6. Биполярные магнитотранзисторы
- •Контрольные вопросы
- •6. Оптические датчики
- •6.1. Принцип действия полупроводниковых приемников излучения
- •6.2. Основные характеристики фотоприемников
- •6.3. Фоторезисторы
- •6.3.1. Технология изготовления и конструкция
- •6.3.2. Характеристики и параметры
- •6.4. Фотодиоды
- •6.5. Полупроводниковые фотоэлементы
- •6.6. Фототранзисторы
- •6.7. Датчики ик-излучения
- •Контрольные вопросы
- •7. Датчики влажности
- •7.1. Единицы измерения влажности
- •7.2. Методы измерения влажности
- •7.3. Конденсационные датчики
- •7.4. Психрометрические датчики
- •7.5. Сорбционные датчики влажности
- •7.5.1. Кулонометрические датчики
- •7.5.2. Пьезосорбционные датчики
- •7.5.3. Импедансные датчики
- •Контрольные вопросы
- •8. Датчики микроэлектромеханических систем
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
Контрольные вопросы
1. В каких единицах измеряется влажность?
2. Перечислите методы измерения влажности и основные типы датчиков влажности.
3. В чем заключается метод точки росы? Преимущества и недостатки конденсационных датчиков. Области применения.
4. Психрометрические датчики влажности. Достоинства и недостатки. Области применения.
5. Принцип работы каких датчиков основан на явлении сорбции влаги?
6. Принцип работы кулонометрических датчиков и область их применения.
7. Перечислите разновидности импедансных датчиков. На основе каких материалов они сконструированы? В создании каких датчиков используется микроэлектронная технология?
8. Пьезосорбционные датчики влажности. Принцип работы. Области применения.
9. Перечислите основные области применения датчиков влажности.
8. Датчики микроэлектромеханических систем
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – совокупность электрических и механических элементов, выполненных в микроисполнении на основе групповых методов.
МЭМС включает чувствительные элементы – сенсоры, преобразующие физическую величину (ускорение, давление, температуру, усилие, перемещение и др.) в электрическую, которая предварительно обрабатывается (усиливается) микросхемой, расположенной том же устройстве, и трансформируется в выходной сигнал. Изделия МЭМС относятся к микросистемной технике (МСТ), или к технологии микросистем. Успехи в ее освоения дали мощный импульс для развития микросенсорики.
МЭМС содержит электронную схему, механические узлы и чувствительный элемент, выполненные в виде одного компонента с использованием технологических приемов, применяемых в производстве микросхем, т.е. МЭМС дополняет электронную схему датчиком и исполнительным механизмом – актюатором. Если МЭМС не содержит функции обработки сигнала, то превращается в датчик (сенсор). МЭМС может содержать не только элементы, имеющие размеры микро- и нанометров, но и элементы больших размеров (порядка миллиметров), точность изготовления которых составляет микро- и нанометры. МЭМС содержит механические конструкции – балки, спицы, мембраны, струны, кольца и др.
МЭМС используется для определения параметров движения объектов (микроакселерометры, микрогироскопы); для сбора и анализа информации на базе сенсоров давления, расхода, состава газов и жидкостей, ударов, вибраций; для создания микроактюаторов (микродвигателей, микронасосов); для изготовления микроаналитических систем. В настоящее время на базе МЭМС освоено производство более трех тысяч интегральных датчиков различного назначения. Малые размеры, очень широкая область применения, высокая надежность, приемлиемая стоимость позволяет использовать их и в механических часах, и в имплантах для человека.
Для многих МЭМС удается достичь полной технологической совместимости механической и электронной частей при использовании кремниевой технологии. Si имеет привлекательные механические свойства, такие как высокий предел прочности при растяжении, высокую усталостную прочность, высокое значение модуля Юнга, близкого к модулю Юнга стали, хорошее соотношение прочности и веса, хорошую твердость, высокое сопротивление пластической деформации (практически отсутствуют явления гистерезиса и удлинения).
Возможность МЭМС-технологии была сформулирована в 1959 г., и были изготовлены лабораторные «игрушки». Первые образцы сенсоров, изготовленных по технологии объемной микромеханики, появились в конце 1960-х годов. Подложки монокристаллического кремния подвергались селективной обработке травителями для создания объемных структур. Этот способ позволяет получать конструкции с размерами менее микрометров. В настоящее время большинство сенсоров изготавливается по технологии объемной микромеханики. С начала 1980-х годов получила развитие технология поверхностной микромеханики. По этой технологии чувствительный элемент датчика располагался в тонком слое на поверхности подложки. Преимущества этой технологии в простоте интеграции чувствительных элементов и электронной схемы, а также в том, что на порядок уменьшаются размеры чувствительных элементов по сравнению с технологией объемной микромеханики.
Для примера рассмотрим конструкцию миниатюрного кремниевого кантилевера – рис. 8.1. Он является основным механическим элементом акселерометров, сенсоров вибраций и состоит из инерционной массы m, которая приобретает ускорение а и вызывает деформацию упругого элемента под действием силы F = ma . В области упругости смещение пропорционально ускорению. Кроме простейших кантилеверов используются и другие конструкции, напоминающие по форме гамак или крабовые ножки , а также варианты гибких подвесов.
Рис. 8.1. Акселерометр в форме кантилевера
В 1995 г. был создан кольцевой гироскоп, изготовленный по технологии поверхностной микромеханики: металлическое кольцо создано на подложке кремния р-типа с использованием осаждения и фотолитографии. Для приведения в действие и считывания отклика на подложке вокруг кольца сформированы 32 электрода (схематически показаны три на рис. 8.2.). В подложке создана электрическая схема на основе КМОП приборов для предварительного преобразования и усиления сигналов. Интегральная схема вторичного преобразователя содержит схему контроля, программируемый ЦАП для корректировки ошибок, а также эталонный источник напряжения для электростатической поляризации кольца и возбуждения колебаний. Первичные колебания под действием угловой скорости вследствие гироскопического момента (действия силы Кориолиса) вызывают вторичные колебания в направлении оси, перпендикулярной оси чувствительности и оси первичных колебаний. Микрогироскопы МЭМС работают по описанному принципу и могут иметь различные конструкции чувствительных элементов.
Основным материалом для изготовления МЭМС является Si, а также используются кварц, сапфир, керамики, SiC, стекла, пьезокерамика, слои на кремнии Si3N4, SiO2 и др. Для изготовления механической части используется моно- и поликремний, структуры КНС и КНИ. Широко используются технологии сращивания подложки с другими элементами структуры.
Рис. 8.2. Датчик угловой скорости – микромеханический
гироскоп
Использование нанотехнологий и наноматериалов (размерами менее 100 нм) дает возможность перехода к наноэлектромеханическим системам – НЭМС, в которых могут появиться принципиально новые качества и более высокая степень интеграции. Например, перспективно применение углеродных нанотрубок в микросенсорике и в МЭМС-устройствах.
По прогнозам в 2011 г. мировой рынок МЭМС вырастет на 9,5 % и превзойдет рост рынка полупроводниковых изделий, который ожидается только на 5,1 %.