Сенсори механічних величин

В сенсорах абсолютного або відносного тиску використовується методика вимірювань, яка базується на вимірюванні різниці фаз між піками сигналів, отриманих з формувачів струму конденсатора С_вим, що вимірюється, і опорного конденсатора С_оп(рис. 2.35) [2.23, 2.25-2.26].

Такі  схеми функціонують у діапазоні  частот від 40 до 50 кГц і досить просто забезпечують отримання стандартного діапазону вихідних сигналів (наприклад, від 0 до 5 В) навіть при слабкому підсиленні (коефіцієнт підсилення приблизно 10). Це забезпечує прийнятне співвідношення сигнал-шум і покращує теплову стабільність і термін служби. Вихідний сигнал може бути описаний формулою [2.23]:

 

 

Де U_вим - вихідна напруга;U_ж- напруга живлення; А і В - константи, які служать для компенсації конструктивних допусків у конденсаторах і для керування чутливістю.

Рис.2.35. Блок-схема  вимірювання різниці  фаз

Сенсори диференційного типу вимірюють тиск у діапазоні від 1 кПа до приблизно 300 МПа з похибкою менше 0,1% і тепловим зсувом 0,01%/°С в температурному діапазоні в 100 °С.

Відома  конструкція товстоплівкового ємнісного сенсора сили [2.36-2.37], в якій нижній нерухомий електрод складається з чотирьох частин (рис. 2.36). Верхній рухомий електрод (мембрана) деформується під дією сили, що приводить до зміни кожного з чотирьох конденсаторів. Такий сенсор може вимірювати не тільки величину, але й напрямок дії сили [2.38].

Рис.2.36. Конструкція ємнісного  сенсора сили

 

2.6. Товстоплівкові тензорезистивні сенсори сили та тиску

 

В тензорезистивних товстоплівкових сенсорах тиску та сили використовується явище п'єзорезистивного ефекту. Для характеристики п'єзорезистивного ефекту використовується поняття коефіцієнта деформаційної чутливості опору К , яка визначається за формулою [2.35]:

 

 

де:R- номінальний опір резистора; L_R- номінальний розмір резистора;ΔL_R абсолютна зміна розміру резистора під впливом деформації; ε=ΔL_R/L_R- відносна зміна розміру резистора під впливом деформації; ΔR(ε)- абсолютна зміна опору резистора під впливом деформації.

На  рис. 2.37 показано структуру підкладки  з плівковим резистором. Результуючий коефіцієнт деформаційної чутливості можна показати в такому вигляді [2.35]:

 

 

де:ε_xε_yε_z- складові вектора деформації відповідно в напрямку осей х, у та z.

Рис. 2.37. Структура підкладкиз плівковим резистором: 1 - резистор;   2 - підкладка

В залежності від напрямку струму I в  резисторі і   напрямку його деформаціі е можна визначити такі види деформаційноТ чутливості [2.35]:

• поздовжня K_L(ε= ε_x, I|| I_x);
• поперечна K_T(ε= ε_y, I|| I_x);
• перпендикулярно-поздовжня K_P(ε= ε_z, I|| I_x); ;
• перпендикулярна K_Q(ε= ε_z, I|| I_z);

Товстоплівковий резистор характеризується досить міцним з’єднанням з підкладкою в горизонтальній площині. Враховуючи, що підкладка має значно більший модуль поздовжньої пружності, ніж резистивний шар, а товщина підкладки суттєво перевищує товщину резистивного шару, можна вважати, що деформація резистивного шару і підкладки приблизно однакові. Це припущення спрощує розрахунок  і  дозволяє звести  його до  аналізу деформації поверхні товстоплівкового     резистора. Коефіцієнти окремих видів деформаційної чутливості мають різні величини

K_L=K₀(1-µ_p-µ_r)+1+µ_p+µ_r [2.35]:

K_L=K₀(1-µ_p-µ_r)-1-µ_p+µ_r

K_p=-1

 

K_Q=1

де: µ_pi µ_r - це коефіціенти Пуассона відповідно для підкладки та резистивного шару.

Якщо  виконується умова, що К₀ > 4, то для типових величин коефіціентів справедливе співвідношення [2.35]:

K_Q>K_P>K_T>K_L

До  основних робочих параметрів коефіцієнтами тензосенсора крім коефіцієнта тензочутливості (тензокоефіцієнта) відносяться температурний коефіцієнт опору (ТКО), виміряний при нульовій деформації, та температурний коефіцієнт тензокоефіцієнта, який необхідно мінімізувати. Характеристики деяких матеріалів для тензосенсорів наведені в табл. 2.7. Часткова компенсація впливу температури на опір і тензокоефіцієнт може бути досягнута при використанні моста Вітстоуна [2.39], який мае два або чотири активних (чутливих до деформацій) плеча. В цьому випадку відносна зміна опору перетворюється в напругу ΔU/U_m=nΔR/R, деU_m- напруга збудження моста, n= 0,5 або 1,0 при використанні моста з двома або чотирма плечами, відповідно.

Таблиця 2.7.

Характеристики  матеріалів для тензосенсорів

Типові  резистивні пасти характеризуються коефіцієнтами поздовжньої деформаційної  чутливості K_L в межах 2-18, хоча деякі матеріали мають вдвічі більшу величину K_L[2.46-2.47].

Значення  коефіцієнта K_L для типових резистивних матеріалів наведені в табл. 2.8 [2.35].

На   рис.2.38.    показана    відносна    зміна   опору    внаслідок    натяжної   і стискувальної деформацій  при паралельній і перпендикулярній  до  напрямку струму деформації в товстоплівкових резисторах.

Таблиця 2.8.

Значення  коефіці’нту G_L для резистивних паст на основі типових оксидів

 

Рис.2.38. Відносна зміна опору при деформації, паралельній і перпендикулярній до напрямку струму в товстоплівкових резисторах: 1 - поздовжній напрям, 2 - поперечний напрям

 

Згідно  з основами теорії пружності напруження консолі (рис. 2.39) довжиною l, товщиною h, шириною b, один кінець якої закріплений, а на інший кінець діє сила Р, визначається як:

σ(x)=6Fx/(h²b)

Максимальне напруження σ_max має місце на закріпленому кінці, тоді як на середині консолі напруження дорівнює нулю. Відхилення незакріпленого кінця може бути описане як

D=4Fl³/(Ebh³)

де  Е - модуль Юнга для матеріалу консолі.

В табл. 2.9 наведені характеристики пружності  матеріалів п'езорезистивних товстоплівкових сенсорів.

Рис. 2.39. Консольна базова структура для  калібрування тензосенсорів

 

Таблиця 2.9.

Характеристики  пружності матеріалів пезорезистивних товстоплівкових сенсорів

Примітки: ТКМЮ - температурний коефіцієнт модуля Юнга, * - міцність на вигин, ** - границя текучості.

Подібний  аналіз можна провести також і  для сенсорів тиску, які містять  круглу мембрану, закріплену на краях. На рис. 2.40 наведено таку мембрану з  товщиною , радіусом а, на яку діє тиск р, рівномірно розподілений по площі пластини. Максимальне відхилення W_max, яке має місце при r = 0, тут визначає подальшу умову, за якою лінійне співвідношення між напруженням і тиском спостерігається при вигинанні без розтягування.

W_max=3pa²(1-µ²)/(16Eh³)

Радіальні і дотичні напруження на поверхні пластини можуть бути описані як[2.39]:

σ_t=3p[a²(1+µ)-r²(1+3µ)]/(8h²)

         σ_r=3p[a²(1+µ)-r²(3+µ)]/(8h²)

3 цих рівнянь видно, що σ_r=σ_t=3pa²(1+µ)/(8h²)   при r=0, а на краю мембрани     при r=a  спостерігається максимальне напруження,  тобто σ_r=-3pa²/(4h²).  Останнє значення  не може бути  перевищене,  оскільки  це приведе до руйнування пластини.

Радіальні (σ_r) та дотичні (σ_t) напруження на рис. 2.40 розраховані для таких умов: р = 0,98 МПа, h= 650 мкм, µ= 0,2 , Е = 270 ГПа.

Рис. 2.40. Кругла, закріплена на краях мембрани  під дією тиску

Найчастіше  п'єзорезистивні властивості товстоплівкових резисторів використовуються в сенсорах тиску. На сьогоднішній день кілька компаній виробляє товстоплівкові сенсори тиску для тисків від менше 1 бар до кількох сотень бар (від 0,1 МПа до 50 МПа).

Найбільшу потребу в таких сенсорах відчуває автомобільна промисловість, особливо   при   керуванні   запаленням   і   вприскуванням   палива   в   двигунах I внутрішнього      згоряння.      При      вприскуванні      палива      сенсори     тиску використовуються   для   вимірювання   абсолютного   тиску   забірного   патрубка і (випускного колектора), яке разом з вимірюванням температури повітря свідчить про потік маси забору повітря в циліндри. Точність вимірювання тиску, яка I забезпечується товстоплівковими сенсорами, становить менше 1,5% для діапазону I від 20% ... 80% повної шкали і 2,5% для повної шкали. В електронних системах! запалювання вимірювання тиску (відносного або атмосферного) використовується I для  керування  часом  запалення  іскри.  Товстоплівкові  сенсори демонструють I високу надійність і тривалий термін служби. Діапазон тиску не перевищує 0,5 МПа, включаючи навіть автомобілі для перегонів.

Іншими  галузями застосування товстоплівкових сенсорів тиску є авіаційна радіоелектроніка  [2.39],  контроль за витіканням  із труб,  які знаходяться пі;  тиском, моніторинг тиску в телефонних кабелях (0,12...0,15 МПа) для запобігання попадання води в кабелі, які знаходяться під землею. Сенсори високого тиску використовуються в повітряних та масляних системах автомобілів, у лініях видавлювання (екструзії) полімерів тощо.

Розвиток  електроніки для рухомих об'єктів поставив досить жорсткі вимоги до умов експлуатації сенсорів: широкий діапазон робочих температур, вібрація, забруднення, вологість тощо. Цим вимогам відповідають товстоплівкові сенсори, що пов'язано з лінійністю і симетричністю п'єзоелектричної реакції товстоплівкових резисторів (зміни опору) для сил, що діють на розтяг і на стиснення, та доброю повторюваністю характеристик, які практично не мають гістерезису. До цього потрібно додати такі традиційні переваги товстоплівкових схем як низький температурний коефіцієнт опору, стійкість до впливу зовнішніх факторів та добру часову стабільність резисторів, що робить товстоплівкові сенсори тиску конкурентоспроможними по відношенню до сенсорів не тільки з металевими, а й напівпровідниковими чутливими елементами [2.35].

Конструкція одного з таких сенсорів, показаного на рис. 2.41, виконана у вигляді круглої керамічної мембрани, на якій нанесені чотири товстоплівкових резистори, що працюють як мостова схема.

Рис. 2.41. Мембранний сенсор тиску на основі п'єзорезистивного ефекту в товстоплівкових резисторах: а) принцип дії; б) електрична схема

Під дією зовнішньої сили мембрана прогинається, що викликає деформацію резисторів. Два з них (R3 та R4) використовуються як п'єзоелементи. Два інших (R1 та R2)  розміщуються  на  краях     мембрани  і значно  менше піддаються деформації. Відомі також конструкції, в яких резистори виконуються на протилежних сторонах підкладки. В процесі деформації мембрани в резисторах створюються напруження з протилежними знаками, які приводять до лінійного зменшення опору пропорційно до величини прикладеної сили. Вихідна характеристика сенсора лінійна в діапазоні тиску, в якому зміна опору Ш незворотний характер. Діапазон тиску, що вимірюється, можна регулювати конструктивним способом за допомогою зміни геометричних розмірів сенсора (діаметра або товщини підкладки-мембрани). Для мембрани з типової алундової кераміки діапазон тиску, що вимірюється, можна визначити з формули [2.43]:

P_max≈1.5^.10⁸(2h/D)

де: P_max - максимальне значення тиску в Па; h- товщина мембрани; D- діаметр мембрани.

На  основі розглянутої конструкції  можна побудувати не тільки сенсори  абсолютного тиску, а й сенсори, що вимірюють різницю тиску [2.44]. Нелінійність вихідної характеристики U_вих(р) менша від 1 %, а максимальна відносна похибка не перевищує 1 % в діапазоні температур від 273 К до 343 К.

Замість керамічної підкладки-мембрани в розглянутій  конструкції може використовуватися металева підкладка, покрита відповідною емаллю, або навіть непокрита металева підкладка, на якій ізоляційний шар формується безпосередньо в технологічному процесі виготовлення сенсора [2.45-2.46]. В цьому випадку виникають технологічні проблеми формування ізоляційного шару, пов'язані з великою різницею температурних коефіцієнтів розширення металевої підкладки та типових діелектричних паст. Для вирішення вказаної проблеми розроблені спеціальні діелектричні пасти. Для вимірювання високих тисків розроблено конструкцію сенсора, в якому підкладка з товстоплівковими резисторами зазнає дії гідростатичного тиску в маслі, що приводить до зміни об'єму масла і відповідно опору резистора [2.43]:

 

 

де: р - тиск; R₀ та C_r - сталі.

Залежність  опору від гідростатичного тиску  показана на рис. 2.42.

Використання  п'єзоелектричних властивостей товстоплівкових резисторів по осі 02 (товщині шару) дає можливість побудови мініатюрних сенсорів тиску у вигляді структури типу „сендвіч", які можуть використовуватися для вимірювання відносно великих значень тиску [2.40-2.41]. Такі сенсори можна умовно розділити на дві групи. До першої групи відносяться сенсори з так званим „поясковим" опором з традиційним планарним розташуванням резистора та контактних площадок.