Курс лекций: «Микро- и наносистемы в технике и технологии» Лекция №3:

Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Курс лекций: «Микро- и наносистемы в
технике и технологии»
Лекция №3:
«Чувствительные элементы для
микросистем»
Лектор: д.т.н., доцент И.Е.Лысенко
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Пьезорезистивные чувствительные элементы
Основными компонентами пьезорезистивных элементов
являются резисторы, меняющие свое сопротивление под
действием внешнего давления. Пьезорезисторы используются для
измерения таких физических параметров, как давление, сила,
скорость потока. Также пьезорезистивные сенсоры могут
использоваться к качестве сенсоров линейного ускорения
(акселерометров).
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Резисторы обычно крепятся на кремниевой мембране.
Отклонение последней ведет к изменению геометрических
размеров резисторов, в результате чего меняется их
сопротивление.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
где R — изменение сопротивления, R — исходное
сопротивление, v — коэффициент Пуассона, l — изменение
длины резистора, l — начальная длина резистора, ρ —
изменение удельного сопротивления резистора, ρ — начальное
удельное сопротивление резистора.
Для пьезорезистивных сенсоров используют резисторы,
сопротивление которых пропорционально внешнему давлению. В
этом случае изменением удельного сопротивления пренебрегают,
поскольку изменения геометрических размеров будет
пропорционально приложенному давлению.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
В таких сенсорах фольга из
полупроводникового полимера
накладывается на электроды
встречно-штыревого
преобразователя. Если на электроды
подано напряжение при отсутствии
давления, сопротивление
преобразователя составляет порядка
мега Ом.
Под действием внешней силы по полимерной фольге течет ток,
т. е. возникает параллельная цепь, что приводит к уменьшению
сопротивления всего датчика. В этом случае сопротивление
чувствительного элемента является обратно пропорциональным
приложенному давлению.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Рабочие характеристики пьезорезистивных преобразователей
зависят от температуры и давления. Чем выше температура, тем
выше чувствительность датчиков. Любое остаточное напряжение,
возникающее в датчике в процессе его изготовления, также
оказывает влияние на его чувствительность.
Пьезорезистивный сенсор первого типа при высоких
давлениях, когда деформация его мембраны превышает 10% ее
толщины, становится нелинейным.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Емкостные чувствительные элементы
В емкостных чувствительных элементах деформация
диафрагмы под действием силы приводит к изменению емкости,
что, в свою очередь, вызывает изменение соответствующего
электрического сигнала: частоты, времени, заряда, напряжения.
Такие сенсоры могут применяться для определения давления,
силы, ускорения, скорости потока, перемещения, положения,
ориентации и т.д.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Pyrex
электроды
Si
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
В емкостных сенсорах изменение емкости не является
линейным по отношению к деформации диафрагмы. При
определении малых значений емкости (порядка 1-3 пФ)
необходимо размещать измерительную цепь на том же самом
кристалле. По сравнению с пьезорезистивными чувствительными
элементами, емкостные сенсоры обладают более высокой
чувствительностью, большей стабильностью, но меньшим
диапазоном измеряемых давлений.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Пьезоэлектрические чувствительные
элементы
Эта группа преобразователей основана на пьезоэлектрическом
эффекте пьезоматериалов. Когда внешняя сила действует на
пьезоэлектрическую пленку, на ее поверхности возникает
электрический заряд.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
На электродах, расположенных на пьезоэлектрическом диске
толщиной t, при создании на нем механического давления Т
возникает электрическое напряжение U:
U  gtT
где g – пьезоэлектрический коэффициент напряжения.
Пьезоэлектрические чувствительные элементы нашли
широкое применение в датчиках давления и силы, в
акселерометрах и спидометрах, в гидрофонах и микрофонах.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Резонансные чувствительные элементы
Принцип действия резонансных чувствительных элементов
станет понятным, если вспомнить эффект изменения собственной
частоты струны под действием сил растяжения. В резонансных
датчиках напряжение, возникающее в диафрагме из-за действия
на нее внешнего давления, приводит к изменению собственной
частоты резонатора. По этим вариациям собственной частоты
можно судить о прикладываемом давлении.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Изменение собственной резонансной частоты резонатора,
закрепленного с обоих концов, определяется следующим
выражением:
где kgf – коэффициент тензочувствительности.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
На основе резонансных элементов можно разрабатывать
очень чувствительные сенсоры, поскольку они обладают высоким
коэффициентом тензочувствительности, который, фактически,
определяет чувствительность самого элемента. Однако технология
изготовления резонансных датчиков, как правило, намного
сложнее, чем пьезорезистивных, к тому же резонансные сенсоры
необходимо герметизировать для защиты от влаги.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Чувствительные элементы на
поверхностных акустических волнах (ПАВ)
Первоначально устройства на ПАВ использовались в радарах и
системах связи в качестве фильтров и линий задержек, но в
дальнейшем оказалось очень перспективным применять
чувствительные элементы на ПАВ для определения ряда
физических величин. На их основе разрабатываются надежные и
сравнительно недорогие датчики для различных областей
применения. Уникальной особенностью ПАВ сенсоров является
прямая зависимость их выходных характеристик от изменения
ряда физических и химических параметров, таких как масса,
напряжение, деформация, для жидкостей: плотность, вязкость,
проводимость и диэлектрическая проницаемость.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Устройства на ПАВ представляют собой пьезоэлектрическую
подложку, на поверхности которой расположены встречноштыревой преобразователь (ВШП) – главный элемент любых
устройств на ПАВ. Его основной задачей является преобразование
электрической энергии в механическую и наоборот с целью
генерации и детектирования ПАВ.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Вид акустических волн, возбуждаемых в пьезоэлектрическом
материале, зависит, главным образом, от свойств самого
материала, от среза кристалла и структуры электродов,
используемых для преобразования электрической энергии в
механическую.
Были исследованы возможности применения в качестве
датчиков различных типов акустических устройств, основанных на
волнах Рэлея и на поперечных ПАВ с горизонтальной
поляризацией (SH-ПАВ), на плоских акустических волнах и
плоских волнах изгиба, а также на волнах Лэмба.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Принцип действия чувствительных элементов на ПАВ основан
на том, что время распространения ПАВ между двумя ВШП
зависит от изменений некоторых физических величин.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Анизотропная природа пьезоэлектрических кристаллов
позволяет, меняя углы среза, получать уникальные
характеристики чувствительных элементов, реализованных на их
основе. Например, в акселерометрах на ПАВ применяются
кварцевые кристаллы обладающие практически нулевым
температурным коэффициентом, что обеспечивает
незначительный уход частоты при изменении температуры.
Меняя ориентацию срезов кристалла, можно реализовывать
разные виды ПАВ. При этом для каждого конкретного случая
применения возможно подобрать оптимальную волну, и с учетом
этого уже разрабатывать сенсор.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Другими преимуществами пьезоэлектрических материалов
являются их низкие внутренние потери, равномерная плотность и
упругость, а также хорошие механические свойства. При
разработке акустических сенсоров важным является выбор
устройства для преобразования ПАВ, в которых заключена
информация об изменениях измеряемых физических параметров в
выходной электрический сигнал. Любое малое возмущение,
появляющееся в акустических волнах, должно вызывать
значительный отклик в преобразованном выходном
электромагнитном сигнале. Возможность реализации этого
заключена в огромной разности скоростей распространения
акустической и электромагнитной волн.
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Контрольные вопросы
1. Пьезорезистивные чувствительные элементы
2. Емкостные чувствительные элементы
3. Пьезоэлектрические чувствительные элементы
4. Резонансные чувствительные элементы
5. Чувствительные элементы на
поверхностных акустических волнах (ПАВ)
Лекция №3: «Чувствительные элементы для микросистем»
Спасибо за внимание