- •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
8. Датчики ускорения, вибрации, удара, положения
Отмечалось, что измерение ускорений (акселерометры, гироскопы и пр.) одно из направлений развития МСТ, которое идет очень быстро.
В основе измерений этих параметров лежат фундаментальные законы механики – связь между ускорением, силой и массой. Используют физические явления, позволяющие изучить электрический сигнал, связанный с этими законами.
Чаще всего непосредственно измеряют силу (пьезоэлектрические датчики) или косвенно - по перемещению или деформации чувствительного элемента, причем используют те же емкостные или тензорезистивные преобразователи.
Таким образом, в основе измерений обычно лежат общие принципы, а датчики больше различаются по назначению и условиям использования.
В частности, решают задачи:
Измерения ускорений движущихся объектов – самолетов, ракет, наземных или морских средств. Для измерения характерных для них малых ускорений и частот (от 0 до десятков Гц) обычно используют следящие акселерометры и датчики перемещений.
Измерения вибрационного ускорения жестких конструкций – до десятков кГц.
Измерения ударов – т.е. импульсивных ускорений. Здесь нужны широкополосные датчики.
Принцип действия проще всего проиллюстрировать на примере сейсмического датчика (разумеется, не микросистемного). Он может быть (в зависимости от диапазона частот) датчиком перемещения, скорости или ускорения, которым подвергается корпус прибора (рис. 30).
Рис. 30. Схема механической системы с одной степенью свободы:
1 – корпус; 2 – демпфер; 3 – инертная масса; 4 – устройство измерения перемещений; 5 – пружина.
Любой подобный датчик содержит механическую массу М и элемент, связывающий её с корпусом (кристалл пьезоэлектрика, гибкая пластина (пружина) и устройства преобразования параметров движения в электрический сигнал. Получается механическая система с одной степенью свободы.
h0 – ордината точки на корпусе (const),
h – ордината точки b на сейсмической массе.
В отсутствии ускорения ординаты a и b совпадают.
Z=h-h0 – перемещение сейсмической массы при ускорении.
Уравнение равновесия получим из баланса сил:
Cz – сила, возвращающая массу в положении равновесия,
- сила вязкого трения (демпфер),
- сила ускорения массы М.
Уравнение равновесия:
.
Его решение позволяет определить скорость и ускорение при механическом воздействии на корпус прибора.
Акселерометры
1. Одной из первых и простейших является конструкция интегрального балочного акселератора (рис. 31).
Рис. 31. Конструкция интегрального балочного акселерометра:
1 – контактные площадки; 2 – р+ - область; 3 – р – область; 4 – балка; 5 – воздушный зазор; 6 – кремний; 7 – выемка в крышке; 8 – воздушный зазор; 9 – инерционная масса; 10 – токопроводящий клей; 11 – стеклянная крышка.
Конструкция чувствительного элемента выполнена анизотропным травлением монокристалла кремния в плоскости (100). Часть балки 4 является инерционной массой. Она может быть кремневой или утяжелена осажденным металлом. Балка консолью подвешена в кольцевой прямоугольной рамке основания и отделены от него П-образным зазором 5. В консольной части, которая деформируется при ускорениях, сформированы тензорезистивные датчики деформации. Толщина упругой часть балки 10 - 20 мкм. Размеры кристалла 5 × 2.5 × 0.3.
Чувствительность линейного акселерометра с таким чувствительным элементом порядка 10-2 м/с2. Диапазон измерения 0,1 - 500 м/с2; частотный диапазон 0÷100 Гц. Рамка акселерометра защищена сверху и снизу стеклянными крышками.
2. Широко применяется подвес маятника на двух упругих перемычках (торсионах) (рис. 32).
Рис. 32. Гибридный акселерометр компенсационного типа
Так могут выполняться как угловые акселерометры, так и линейные при смещении центра масс маятника относительно оси упругих перемычек. Здесь обычно используются емкостной датчик перемещений маятника, для чего на маятник и корпус прибора нанесены электроды (с зазором до 0.02 мм). При гибридном исполнении такой акселерометр имеет встроенную электронику обратной связи (рис. 33).
Рис. 33. Схема маятникого компенсационного акселерометра с электростатической обратной связью
Переменное напряжение от задающего генератора ЗГ подается в противофазе на неподвижные электроды датчика. Отклонение маятника модулирует это сигнал. Сигнал отклонения снимается с маятника и поступает через усилитель У на демодулятор Д. Обратная связь подается с выхода на одну обкладку подвеса непосредственно, а на другую – через инвертор И. К маятнику подключено также постоянное смещение V0 электрического подвеса.
Параметры:
Измеряемые ускорения ±35g.
Масштабный коэффициент ~ 1,3 мА/g.
Порог чувствительности ~ 0,5 μg.
Дрейф нуля ~ 10 μg/час.
3. Наконец, возможна подвеска инерционной массы на четырех упругих перемычках (рис. 34) (иногда они попарно располагаются на двух противоположных сторонах пластины, несущей инерционную массу).
Рис. 34. Схема двухосевого чувствительного элемента
На этой подвеске можно делать более чувствительные и точные приборы с несколько меньшими пределами измерения (до 5÷10g). Полоса – до 1000 Гц, точность – до 1% от максимального диапазона. Преобразовывает – как емкостные, так и жидкостные.
4. На подобном чувствительном элементе делают также микромеханические наклономеры (рис. 35).
Подвижная
Рис. 35. Микромеханический наклономер
Наклономеры нужны:
- на транспорте - автомобиль, ж/д вагон;
- оптические инструменты;
- датчики уровня;
- для замены ртутных выключателей;
- в медицине (сердечные датчики и др.).
Закрепление инерционной массы производится на тонких балках в пределах промежутков подвижной массы. Балки получаются длинные (без увеличения габаритов чувствительного элемента). Съем информации производится с помощью тензорезисторов. Принцип работы ясен из рисунка: наклон датчика вызывает S-образные искривления балок. Информация об угле наклона балок может быть извлечена из сигналов двух сенсоров, датчики которых расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Конкретные приборы имеют примерно такие данные:
- подвижная масса – 5×5 мм,
- длина упругой балки – 510 мкм,
- ширина – 7 мкм,
- толщина – 5мкм.
Полный диапазон измеренных углов ± 80º.
Чувствительность ~ 1 мВ/градус наклона.