- •1. Первичные преобразователи (датчики)
- •Измерения. Основные понятия
- •Метрологические характеристики
- •2. Схемы формирования сигналов пассивных датчиков
- •Потенциометрические схемы с резистивными датчиками
- •Дифференциальное включение датчиков
- •Использование мостовых схем
- •Расчёт мостового чувствительного элемента
- •Емкостные преобразователи перемещений
- •3. Разомкнутая и замкнутая структура измерительных устройств для датчиков
- •4. О физических свойствах веществ и эффектах в них, использованных в изделиях мст. Понятие тензора
- •О тензорном описании физических свойств кристаллов
- •Тензорное описание воздействий на кристалл (электрические, механические и тепловые воздействия) Электрическое воздействие
- •Механические воздействия
- •Тепловое расширение
- •5. Взаимная связь физических свойств и явлений в кристаллах
- •Пироэлектрический эффект
- •Пьезоэлектрический эффект
- •Историческая справка
- •Пьезоэлектрические материалы
- •6. Тензорезисторы
- •Конструкции тензорезисторов
- •7. Микросистемные датчики давления
- •8. Датчики ускорения, вибрации, удара, положения
- •Акселерометры
- •9. Вибрационные гироскопы
- •О применении микроакселерометров и гироскопов
- •10. Субмикронные магнитные сенсоры
- •Гигантское магнитное сопротивление (гмс)
- •11. Микросенсоры расхода (газа, жидкости)
- •12. Микронасосы
- •Клапанные микронасосы
- •Пьезоэлектрический возбудитель
- •Двухклапанный поршневой насос
- •Термопневматический микронасос
- •Бесклапанные микронасосы
- •Электрические микронасосы
- •13. Термоэлектрические сенсоры температуры
- •2. Резистивные сенсоры температуры
- •3. Полупроводниковые сенсоры температуры
- •4. Пьезоэлектрические датчики температуры
- •5. Использование сенсоров температуры в комбинации с другими преобразователями
- •5.1. Каталические сенсоры концентрации газов
- •5.2. Тепловые расходомеры
- •5.3. Акселерометры с нагревом газа
- •6. Бесконтактное измерение температуры
- •6.2. Принцип действия приемников теплового излучения
- •6.3. Сенсоры излучения на основе термоэлектрического и терморезистивного эффектов
- •6.4. Пироэлектрические датчики ик - излучения
- •6.5. Термопневматические детекторы
- •14. Характерные черты кристаллической структуры и виды химических связей
- •2. Описание структуры кристаллов. Пространственная решетка
- •3. Структура алмаза
- •4. Связь свойств кристаллов кремния со структурой его кристаллической решетки
- •5. Механические свойства монокристаллического кремния
- •6. Травление – один из способов формообразования при изготовлении элементов мст
Историческая справка
В 1980г. исполнилось 100 лет с тех пор, как братья Кюри обнаружили в кристалле турмалина поверхностный заряд, появляющийся при приложенной к кристаллу механической силы в определенном направлении. Это явление позднее было названо пьезоэлектрическим эффектом. Через год они продемонстрировали обратное явление – наличие механической деформации кристалла под действием электрического поля.
Первое практическое применение этого явления нашло только в 1917г., когда Ланжевен при создании гидролокатора использовал пьезоэлектрические свойства кварца для возбуждения ультразвуковых волн в морской воде. В 1921г. Кэди опубликовал работу о пьезоэлектрических резонаторах, которые позднее стали применятся для стабилизации частоты высокочастотных генераторов.
Это – время использования исключительно объемных колебаний в кристаллах.
В 60-х годах XX века возникла и быстро разрослась новая область применения пьезоэлектрических кристаллов основанная на использовании поверхностно акустических волн (ПАВ). Это, в основном, разнообразные фильтры (частотные, полосовые), линии задержки, позднее – устройства обработки оптических сигналов (модуляторы, дефлекторы).
В последние годы на основе пьезоэффекта созданы устройства МСТ – двигатели, насосы и прочие.
Все пьезоэлектрические устройства основаны на возбуждении упругих механических колебаний и их распространении в твердом теле. Простейшие устройства используют объемные волны, например, кварцевый резонатор (рис.16).
Рис. 16. Простейший кварцевый резонатор
Используется специфические свойства твердого тела:
1) Скорость распространения акустических волн значительно меньше (1 – 10 км/с), чем электромагнитных (и меньше размеры устройств).
2) Затухание невелико.
3) Стабильность частоты механических колебаний очень высока (зависит от направления среза у кварца).
В итоге стабильность кварцевых генераторов ~ 10-6 /°С, при добротности контура порядка 106 . Время задержки до 1 мс (в локации – для индикации движущихся целей, в телевидении задержка на 1 строку ~ 60 мкс).
Возможно также создание ультразвуковых линий задержки как с использованием объемных волн (рис. 17), так и на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Использование ПАВ предоставляет больше конструкторских и технологических возможностей.
Рис. 17. Пъезоэлектрическая линия задержки на объемных волнах
Устройства на ПАВ широко используются технологические возможности МЭ.
Главным элементом для использование ПАВ является встречно-штыревой преобразователь (ВШП). Он применяется как для возбуждения и приема ПАВ, но и для формирования частотной характеристики (рис.18).
ВШП состоит из группы идентичных электродов, которые подключены к полюсу генератора. В пьезоэлектрике возникает пространственно периодическое поле. Период преобразователя L должен быть близок (равен) длине поверхностной акустической волны. Это обуславливает и частоту возбуждающих колебаний.
Например: На частоте 100 МГц длина волны в воздухе 3м, в кварце длина акустической волны ~ 32 мкм, отсюда шаг металлизации и зазора в ВШП составляет ~ 8 мкм.
Такой симметричный ВШП возбуждает ПАВ в обоих направлениях. Если нужно однонаправленное излучение, с одной стороны ВШП формируют поглотитель.
Величина апертуры W определяет направленность излучения. Типичная толщина подложки ~ 1 мм. При этом ПАВ отличается тем, что практически 90% энергии распространяется в приповерхностном слое, толщиной порядка длины волны.
Рис.18. Структура встречно-штыревого преобразователя (ВШП)