Сенсори механічних величин

2.4. Тонкоплівкові смнісні сенсори тиску

Основу  тонкоплівкових емнісних сенсорів тиску складае поліімідна плівка, яка мае високу механічну міцність та постійні характеристики в широкому температурному діапазоні. Як правило, використовуеться плівка типу ПМ- 1Э або йаналоги товщиною 10- 20 мкм. В сенсорах такого типу чутливий елемент 1 (рис. 2.27), виготовлений з поліімідноТ плівки, знаходиться між основою 2 та гнучкою мембраною 3. На поверхні основи та мембрани методом вакуумного напилення нанесені обкладки 4, а навколо них - захисні екрани 5. Елементи конструкціТ сенсора з'еднуються за допомогою клею 6 та кріпляться на профілі поверхні 7. З'еднувальні електропровідні виводи металізуються. Тонкоплівкові емнісні сенсори тиску внаслідок великоТ Т'х гнучкості можна розміщати на тілах з великою кривизною, в важкодоступних місцях, на тонких профілях.

Стінки  перфорованоТ комірки під діею тиску працюють у режимі пружного стиску. Мембрана сенсора по периферіТ отвору (комірки) перфораціТ працюе в режимі вигину. Поза межами зони чутливого елементу тонка плівка (де знаходяться металізовані виводи та екрани) працюе на пружний стиск. У всіх цих режимах роботи сенсора в плівці можуть відбуватися зміни ТТ лінійних розмірів (ширини, довжини та товщини). Всі шорсткості, виступи шарів клею деформуються завдяки рівномірній пружності клею. Оскільки чутливий елемент сенсора виготовлений з суцільноТ тонкоТ плівки, опорними реакціями по радіусу перфораціТ   можна знехтувати, оскільки вони мають місце тільки при великих деформаціях чутливого елемента.

 

Рис. 2.27. Схематичне зображетія тонкоплівкового емнісного сенсора тиску:   1 - чутливий елемент; 2 -основа; 3 - мембрана; 4 - обкладки; 5 -захисні екрани; 6 - клей; 7 - профіль поверхні

 

Сумарна відносна зміна емності такого сенсора дорівнює

 

 

 

де: C_r- ємність п-о Т комірки з газовим діелектриком; С_І початкова емність сенсора; С_r - ємність стінки комірки; а - радіус комірки; b - товщина гнучкої мембрани; р- тиск; Е - модуль пружності Юнга;µ- коефіцієнт Пуассона; n - кількість комірок.

При зміні тиску на величину Δp товщина чутливого елемента під обкладками змінюється на величину Δl, відповідно електрична емність С змінюеться пропорційно до тиску на величину ΔC, При цьому вихідна напругаΔU, що знімаеться з сенсора, пропорційна до опорноТ напругиU_оп

 

 

Заряд відповідно дорівнює:

Q_оп=СU_оп

ΔQ_оп=Δ СU_оп

На  рис. 2.28 показані два можливі варіанти конструкціТ тонкоплівкових емнісних сенсорів тиску: з суцільним та перфорованим діелектриком відповідно. Електроди виконуються з алюмінію або нікелю, діелектрик - з поліімідноТ плівки товщиною 12-18 мкм. На рис. 2.29 наведена форма електродів тонкоплівкових емнісних сенсорів тиску, на рис. 2.30 - вигляд перфорованоТ поліімідноТ плівки.

 

Рис. 2.28. Варіанти конструкціі тонкоплівкових емнісних сенсорів тиску: а) з суцільним діелектриком; б) з перфорованим діелектриком:  1 - суцільна політідна плівка; 2 - електроди; 3- екрани; 4 - перфорована поліімідна плівка

Рис. 2.29. Електроди тонкоплівкових емнісних сенсорів тиску: 1- електрод; 2 - полшідна плівка; 3 - екран; 4 - вивід

Рис.  2.30.  Перфорована поліімідна плівка

 

Для виготовлення сенсорів використовується металізована алюмініем або нікелем поліімідна плівка, на якій методом фотолітографії формується задана конфігурація елементів, або поліімідна плівка товщиною 12- 18 мкм, на яку методом випаровування та конденсаціТ в вакуумі наносяться через маску шари металу (алюмінію або нікелю). До металевих шарів з алюмінію або нікелю приварюються виводи, що закріплюються зверху струмопровідним клеем. Для зменшення впливу електромагнітних завад чутливі елементи сенсорів захищені екранами з тих самих металів.

Для типових тонкоплівких емнісних сенсорів з газовим діелектриком, які мають 55...60 комірок, характерні такі основні параметри:

• товщина мембрани, мкм :  12... 18;
• розміри чутливих елементів, мм : 4...9;
• діаметр перфораціТ, мм : 0,6...0,8;
• коефіціент перетворення чутливого елемента: ЗТ0"9...4-10~8;
• межі вимірювання пульсаціі* тиску, Па : 10...8000;
• робочий діапазон температури, °С : 0- 150;
• товщина сенсора, мкм : 70 - 80;
• емність сенсора, пФ :  15 - 40;
• похибка вимірювання, % : 1,0;
• діаметр комірки, мм : 4...5;
• температурний коефіціент нестабільності вихідного сигналу, 1/ °С : 10"3.

В залежності від типу діелектрика  тонкоплівкових емнісних сенсорів тиску - суцільного чи перфорованого, сенсори мають деякі відмінності в характеристиках, показаних в табл. 2.5 [2.11, 2.18, 2.31, 2.33]. Обидва сенсори мають лінійні градуювальні характеристики, які не залежать від пульсацій тиску в діапазоні частот 60-400 Гц.

Таблиця 2.5. Порівняльні характеристики ємнісних тонкоплівкових сенсорів тиску з суцільним та перфорованим діелектриком 

Тип діелектрика сенсора	Смність, пФ	Тангенс кута діелектричних втрат	Товщина сенсора, мкм	Коефіціент чутливості, Па"1
Суцільний	100 - 200	0.002	60-70	(0.5- 10)-10"8
Перфорований	20- 150	0.003	70- 100	(0.5- 10)-10"9

Перспективність застосування ємнісних мікроелектронних сенсорів тиску та інших механічних величин пов'язана з їх високими фізико-механічними та електрофізичними властивостями. Ємнісні елементи мають високу чутливість, що дозволяє ефективно підвищувати точність та швидкодію сенсорів, їх малі розміри та маса забезпечують високу вібростійкість і мінімальне споживання енергії. Вони добре узгоджуються з інтегральною електронною апаратурою, що дозволяє об'єднати в одній конструкції сенсора вторинний пристрій.

 

 

2.5. Товстоплівкові смнісні сенсори тиску та сили

 

Товстоплівкові сенсори використовуються для вимірювання абсолютного, відносного та диференційного тисків [2.23-2.30]. Вони всі базуються на вимірюванні зміни ємності внаслідок деформації мембрани під дією тиску. В цьому випадку товщина мембрани, в основному круглої форми, е значно меншою, ніж и радіус. Для оцінки деформації, принаймні для слабих деформацій, важливим е тільки напруження при вигині.

На  рис. 2.31 показана напружена мембрана ємнісного сенсора. Відхилення мембрани на відстані г від центра структури  визначається як [2.23, 2.32]:

 

 

 

де  р - тиск (Н/м²);R_m- радіус мембрани (м);t- товщина мембрани (м); Е- модуль Юнга для матеріалу мембрани (Н/м²), µ- коефіцієнт Пуассона для матеріалу мембрани.

Рис.2.31. Схематичне зображення напруженої мембрани ємнісного сенсора  тиску

Для малих деформацій ємність системи визначається як:

 

 

      (2.20)

Де ε₀ - діелектрична проникність вакууму; ε_r - діелектрична проникність заповнюючого матеріалу.

Інтегрування  рівняння (2.20) дозволяє отримати ємність системи

 

 

і відносну чутливість

 

 

 

деC₀- ємність системи при нульовому тиску;δС- зміна ємності, спричинена тиском.

Одним з найвідповідальніших етапів проектування ємнісних сенсорів, е вибір матеріалів, оскільки від них залежать деякі метрологічні характеристики, зокрема, відтворюваність характеристик, гістерезис та температурна стабільність. Крім цього необхідно визначити максимальний прогин мембрани, необхідний для отримання прийнятного відхилення лінійності. Як правило, лінійна характеристика отримується у випадку, коли прогин становить не більше половини товщини мембрани (y_max(r=0)<t/2); за межами цієї границі лінійність характеристики перетворення можна забезпечити засобами вторинної обробки сигналу.

В табл. 2.6 наведено основні механічні  характеристики деяких матеріалів, які  використовуються при конструюванні  електродів ємнісних сенсорів [2.23].

Електроди   отримуються   трафаретним   друком   і   відпалом   металевого провідного шару на зовнішній  стороні жорсткої конструкції і на мембрані; електроди також покриті склом для запобігання міграційним ефектам внаслідок різниці вологостей або напруг.

Збирання  компонентів сенсора проводиться  після пайки скляним припоєм, трафаретного друку і відпалу на краях структури. В основному вибирається скло з низькою температурою плавлення (400...500 °С) [2.23, 2.34]. У деяких випадках один і той самий скляний припій використовується для створення механічної структури приладу (відстані між електродами) і як підкладка для електродів [2.23, 2.27-2.28].

Таблиця 2.6. 
 Характеристики деяких матеріалів, які використовуються в ємнісних сенсорах тиску

Параметр	BeCb25	Кремній	Al2O3	Кварц
Коефіцієнт  термічного   розширення, (1/К)-10"6	16,7	2,62	6,2	0,55
Модуль пружності, Гпа	127	185	320	72
Межа міцності на розтяг, ГПа	0,82	0,10	0,17	-
Модуль зсуву, ГПа	50	60	130	68
Прогин   мембрани   при   тиску   0,15 МПа, мкм	50	35	25	75
Метод герметизації	Паяння	паяння твердим припоєм	паяння скляним припоєм	паяння скляним припоєм

На  рис.2.32 наведена структура ємнісного сенсора для вимірювання відносного тиску.

 

 

Як  показано на рис.2.32, на жорсткій частині  приладу нанесені два круглих  концентричних електроди, на мембрані тільки один електрод відповідного діаметра. Таким чином, утворюються два  конденсатори СР і Ск, перший з яких формуе вимірюваний сигнал, а другий е опорним. Смність цих конденсаторів визначаеться як [2.23]:

 

 

 

 

Де K=3(1-µ²)/(16Et²); C_p0 - ємність вимірювального конденсатора при нульовому тиску,C_R0- ємність опорного конденсатора при нульовому тиску;R₁- внутрішній радіус вимірювального електрода;R₂- внутрішній радіус опорного електрода;R_l - зовнішній радіус вимірювального електрода.

Рис.2.32. Ємнісний сенсор тиску: а) вигляд чутливого елемента; б) схематичне зображення конструкцій: 1 - мембрана; 2 - провідники; 3 - вентиляційний отвір; 4- прокладка кріплення; 5 - електроди; 6 - відстань, що впливає на величину ємності

На  рис. 2.33 наведена залежність ємностей С_р та С_R товстоплівкового сенсора від прикладеного тиску.

Рис. 2.33. Залежність ємностей сенсора від відносного тиску

В такій схемі опорний конденсатор  дозволяє компенсувати теплові ефекти та забезпечує нечутливість до змін питомої ємності заповнюючого діелектричного матеріалу.

На  рис. 2.34 показана структура товстоплівкового сенсора диференційного типу для вимірювання перепадів тиску. В цьому сенсорі вся механічна структура виготовляеться з окису алюмінію. Сенсор заповнений силіконовим маслом при тиску трохи більшому, ніж зовнішній тиск, так, що при нульовому тиску р₂-р₁=0, мембрани мають незначний вигин назовні. Шари S₁ таS₂, які формують підкладки для внутрішніх електродів, отримуються трафаретним друком і відпалом  скляної  кераміки  на  структурі Al₂O₃ і  виконують  також  функцію

обмежувачів мембран при надмірних тисках.

Враховуючи  симетричність конструкції сенсора, можна отримати формулу,яка пов'язує ємності двох секцій з тиском [2.23]:

 

       (2.21)

Де F=3(1-µ²)R⁴/(16Et³); r_a- середній радіус електродів, с - коефіцієнт корекції, який враховує кривизну мембран, р=(р₁+р₂)/2- середній тиск рідини.

Рис. 2.34. Схематичне зображення диференційного сенсора тиску: С₁ іС₂ - вимірювальні конденсатори; М₁ і М₂ напружені мембрани; G₁ і G₂ -   кільця зі скляного припою; S₁ і S₂ - шари, які формують  підкладки для внутрішніх електродів

У випадку неповної симетрії співвідношення (2.21) стає складнішим, оскільки воно повинне враховувати різниці в геометрії двох секцій сенсора. Більше того, внутрішній тиск р є функцією як температури, так і середнього тиску рідини р=(р₁+р₂)/2. Вихідна характеристика сенсора залежить від температури і якщо термокомпенсація не використовується, зростання температури стає досить суттєвим. Компенсація температурних ефектів може бути досягнута засобами аналоговій схемотехніки [2.23, 2.28].

В промисловому виробництві для температурної компенсації і контролю цілісності системи застосовується мікропроцесор, який порівнює значення температури, виміряної платиновим термометром, розміщеним всередині структури, і величини l/С₁+lС₂, пропорційної до температури.