Виды механических сенсоров. Представление о микросистемных технологиях. Деформационные сенсоры
Ответы
Ответы на вопросы
1. К классу "механических" мы относим сенсоры, в которых первичные информационные сигналы о состоянии исследуемого объекта или процесса имеют механическую природу.
2. Виды механических сенсоров: деформационные сенсоры, сенсоры линейного и углового перемещения, акселерометры, вибрационные и хроматографические сенсоры.
3. Механические сенсоры мы подразделяем на виды с учетом физической природы чувствительных элементов и первичных информационных сигналов, которые в них возникают.
4. Аббревиатура "МСТ" расшифровывается как "микросистемные технологии". Это – технологии группового изготовления микромеханических деталей и устройств вместе с электрическими узлами для их питания, управления и с электронными микросхемами для обработки информации. Для этого используют такие технологические процессы и операции, как фотолитография или ультрафиолетовая, рентгеновская, электронная, ионная литографии; травление (химическое, плазмохимическое, электрохимическое, ионное, анизотропное); отмывание, очистка; напыление (вакуумное термическое, ионное, плазменное, магнетронное); намазывание, наплавление, пульверизация; эпитаксия; гальваническое или химическое осаждение; окисление; легирование (диффузия, ионная имплантация и т.п.).
Аббревиатура "МЕМС" расшифровывается как "микроэлектромехани-ческая система" – сложное изделие, изготовленное с применением МСТ.
5. Микросистемные технологии позволяют формировать механические детали и узлы микронных и даже субмикронных размеров. Это, а также возможность формировать на том же кристалле и необходимые электронные узлы, позволяет обеспечить невиданную ранее компактность, высокие быстродействие и чувствительность, помехоустойчивость, надежность при совсем малом потреблении мощности. Наличие систем автоматизированного проектирования микроэлектромеханических интегральных изделий и целых систем на кристалле позволяет существенно сократить сроки разработки изделий, оптимизировать их конструкцию и технологию изготовления.
6. "Деформационными" называют сенсоры, первичными сигналами в которых являются изменения формы, объема или размеров чувствительного элемента.
7. Можно назвать следующие виды деформационных чувствительных элементов: биметаллические пластины, спирали, мембраны, пружины, сильфоны, трубки Бурдона, стержни и нити с упругими деформациями изгиба и кручения.
8. "Чувствительным элементом" в опытах П.Н. Лебедева по измерению светового давления была тонкая нить из плавленого кварца с подвешенными к ней легкими "крылышками", пропускающими, поглощающими или отражающими свет.
9. В качестве примеров интеллектуальных деформационных сенсоров можно назвать систему непрерывного автоматического контроля давления в шинах большегрузных автомобилей; прецизионные цифровые манометры и калибраторы давления; сенсоры для измерения давления внутри труднодоступных полостей.
10. Актуатор – это техническое устройство, которое активно реагирует на поданный сигнал, например, замыкает или размыкает электрическую цепь, изменяет величину тока, напряжения, яркость свечения, силу давления и т.п.
Ответы к упражнениям
Упражнение 1. Таблица соответствия
Упражнение 2. Биметаллический чувствительный элемент состоит из двух слоев металлов с существенно отличающимися температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР). Внешним фактором, на который этот элемент реагирует, является температура окружающей среды. При повышении температуры один из металлов удлиняется больше, другой – меньше. В результате биметаллическая полоска выгибается в сторону металла с меньшим ТКЛР. При понижении температуры изгиб уменьшается, а потом происходит в другую сторону – в сторону металла, у которого ТКЛР больше. Изгиб биметаллического чувствительного элемента можно преобразовать, например, в перемещение стрелки на шкале температуры. Для этого обычно используют биметаллические спирали из многих витков. Другой вариант – это замыкание или размыкание электрического контакта в результате изгиба биметаллического элемента. В этом случае биметаллический чувствительный элемент одновременно выполняет и функцию актуатора. Это используется, например, в электрических утюгах. В них биметаллический элемент автоматически размыкает цепь электропитания нагревательных элементов, когда температура рабочей поверхности утюга превышает заданное значение, и автоматически замыкает её, когда температура снижается. Промышленно выпускаемые термореле с биметаллическими элементами широко используют для автоматического регулирования температуры в сушильных шкафах, электропечах, духовках и т.д.
Упражнение 3.
Вариант 1. Мембрана представляет собой тонкую гибкую перегородку между двумя объемами с разными давлениями жидкостей или газов. Она реагирует на разность этих давлений, выгибаясь в сторону объема с меньшим давлением. Ее прогиб и перемещение центра мембраны тем больше, чем больше разность давлений. Диапазон значений измеряемой разности давлений зависит от коэффициента упругости мембраны. "Реакцию" мембраны можно преобразовать в сигнал для пользователя разными способами. В одном из вариантов к месту наибольшего прогиба мембраны крепят шток, который превращает деформационный сигнал в линейное перемещение и приводит в действие механизм отсчета дифференциального давления. В другом варианте изменение прогиба мембраны изменяет собственную частоту оптического резонатора, частью которого она является, и от этого изменяется интенсивность отраженного света. Перемещение мембраны может изменять также ёмкость конденсатора, частью которого она является, и это потом преобразуется в сигнал для пользователя. Мембраны в качестве чувствительного элемента часто применяют в манометрах, барометрах, сенсорах давления внутри труднодоступных полостей.
Вариант 2. Пружина представляет собой упругую проволоку, свитую в виде цилиндра, конуса или плоской спирали. Она реагирует на силу сжатия или растяжения. В широких пределах (т.н. "линейной упругой деформации") величина её растяжения или сжатия пропорциональна приложенной силе. С помощью стрелочного указателя и шкалы величину деформации можно преобразовать в сигнал для пользователя. Так устроены, например динамометры. Деформацию пружины при помощи средств точной механики можно преобразовать в поворот стрелки на циферблате, а при помощи электромеханических или оптоэлектронных элементов – в электрические или оптические сигналы и т.д. Пружины в качестве чувствительных элементов широко применяют в динамометрах, силомерах, пружинных весах и в других сенсорах.
Вариант 3. Сильфон представляет собой эластичную гофрированную трубку, внутри и извне которой создаются разные давления: одно из них – измеряемое, другое – опорное. В качестве чувствительного элемента он "реагирует" на изменение разности давлений. Чем больше превышение давления внутри над давлением извне сильфона, тем больше он растягивается. Чтобы его деформацию преобразовать в сигнал для пользователя, к подвижному торцу сильфона прикрепляют шток, который превращает деформацию сильфона в линейное перемещение. Сильфоны как чувствительные элементы применяют в сенсорах дифференциального давления. Иногда их используют также и в сенсорах силы или веса.
Вариант 4. Стержень или трубка, подвергающаяся деформации изгиба, "реагируют" на любые воздействия, вызывающие такую деформацию. В качестве чувствительного элемента их обычно используют в пределах упругих деформаций. При этом, чем сильней воздействие, тем больше величина деформации. Изгиб упругих стержня или трубки можно средствами точной механики преобразовать в поворот стрелки по шкале отсчета. С помощью электрических или оптических чувствительных элементов изгиб можно далее преобразовать в электрический или оптический сигнал, а потом последние – в сигнал для пользователя. Упругую трубку с укрепленной на её подвижном конце мишенью применяют в качестве чувствительного элемента, например, в сенсоре для измерения скорости течения жидкостей и газов.
Вариант 5. Трубка Бурдона представляет собой пустотелую упругую трубку с овальным или прямоугольным сечением, согнутую в кольцо или спираль. Свободный конец трубки герметически закрыт, а другой конец механически закреплен и соединен с объемом, в котором измеряется давление. В качестве чувствительного элемента трубка Бурдона "реагирует" на изменение разности давлений внутри и снаружи трубки. Когда давление внутри трубки превышает внешнее давление, то оно распинает трубку, она начинает раскручиваться – тем больше, чем больше измеряемое давление. Движение свободного конца трубки через соответствующий механизм передается на стрелку, которая перемещается по шкале давлений – для визуального считывания. Оно может быть передано, например, и на ползунок потенциометра либо конденсатора переменной емкости – для превращения в электрический сигнал. Трубки Бурдона широко применяют в манометрах. Интересным вариантом применения являются также миниатюрные спиральные трубки радиусом порядка 1 мм из биологически совместимого синтетического материала. Их имплантируют в глаза людей, уже страдающих или рискующих заболеть глаукомой, – с целью постоянного мониторинга внутриглазного давления. Величину давления оценивают по степени раскручивания мини-трубки.
Вариант 6. Упругая нить или стержень, подвергающиеся деформации кручения, "реагируют" на любые воздействия, причиняющие такую деформацию. Чем сильней воздействие, тем больше величина угла закручивания. Изменения угла закручивания для восприятия пользователем можно, например, преобразовать в перемещения светового "зайчика" по экрану со шкалой, укрепив на нити или стержне небольшое зеркальце. Упругую кварцевую нить с укрепленными на ней "крылышками" П.Н. Лебедев применил, например, в качестве чувствительного элемента для измерения давления света.
Упражнение 4. Таблица соответствия
Упражнение 5. Принимая, что экспериментатор мог надежно фиксировать перемещение светового "зайчика" на расстояние 0,5 мм = 0,0005 м, найдем соответствующий такому перемещению угол поворота зеркальца в радианах 
радиан. Пересчитывая его в градусную меру, находим, что экспериментатор мог надёжно фиксировать минимальный угол упругого закручивания нити, составляющий 20'' (угловых секунд).
Упражнение 6.
Вариант 1. В системе контроля давления воздуха в автомобильных шинах чувствительным элементом является миниатюрная кремниевая мембрана. Рядом с ней методами МСТ сформированы тензорезисторы, которые превращают механическую деформацию в электрические сигналы. В том же кристалле кремния сформированы также и микросхемы, требуемые для считывания и электронной обработки сигналов. Сигнализатором является центральный блок индикации и сигнализации, размещаемый в кабине водителя. Система контроля является здесь пассивной. Первичным информационным сигналом является деформация упругих мембран кремниевых датчиков давления, размещенных внутри каждой шины. С помощью тензорезисторов упругая деформация мембраны превращается в электрический сигнал, который с помощью электронных микросхем превращается в коротковолновый радиосигнал. Последний принимается и обрабатывается в центральном блоке. С помощью микрокомпьютера формируется изображение на дисплее со всей необходимой водителю информацией.
Вариант 2. В прецизионном цифровом манометре давления чувствительным элементом является миниатюрная кремниевая мембрана, изготовленная методами МСТ вместе с тензорезисторами. Сигнализатором является дисплей прибора или интерфейс RS232, через который информацию можно передать во внешний компьютер или в сеть связи. Сенсор является пассивным. Первичными информационными сигналами в нем являются деформации мембраны, зависящие от внешнего давления. Деформации мембраны преобразуются тензорезисторами в аналоговые электрические сигналы, затем в АЦП – в цифровые электрические сигналы. Последние обрабатываются в микрокомпьютере и преобразуются либо в изображение на дисплее, либо в электрические сигналы связи через интерфейс RS232.
Вариант 3. В портативном цифровом калибраторе давления чувствительным элементом является миниатюрная кремниевая мембрана, изготовленная методами МСТ вместе с тензорезисторами. Сигнализатором является дисплей прибора или интерфейс RS232, через который информацию можно передать во внешний компьютер или в сеть связи. Сенсор является активным, поскольку в нём имеется также ручной насос с точным регулированием давления, при помощи которого в объекте контроля создается требуемое давление. Первичными информационными сигналами в нем являются деформации мембраны, зависящие от внешнего давления. Деформации мембраны преобразуются тензорезисторами в аналоговые электрические сигналы, затем в АЦП – в цифровые электрические сигналы. Последние обрабатываются в микрокомпьютере и преобразуются либо в изображение на дисплее, либо в электрические сигналы связи через интерфейс RS232.
Вариант 4. В сенсорах для измерения давления внутри труднодоступных полостей чувствительным элементом является миниатюрная кремниевая мембрана, на которую нанесен тонкий слой серебра, зеркально отражающий свет. Сигнализатором служит дисплей прибора. Сенсор является пассивным, но инвазивным, поскольку миниатюрный датчик давления с помощью иглы вводят в контролируемую закрытую полость. Первичными информационными сигналами в сенсоре являются деформации мембраны, зависящие от внешнего давления. Деформации мембраны преобразуются в оптическом резонаторе в изменения интенсивности отраженного света. В основном корпусе сенсора переданные по оптоволокну световые сигналы преобразуются сначала в аналоговые, а затем в цифровые электрические сигналы. После их обработки выходная информация представляется в виде сообщений на дисплее.
Упражнение 7. Функциональная схема интеллектуального сенсора для контроля внутричерепного давления и для измерений давления крови в легочных артериях с применением микроминиатюрного мембранного датчика давления 1 может быть представлена в следующем виде:
Здесь 2 – гибкий волоконно-оптический световод; 3 – оптический разветвитель; 4 – источник монохроматического света (светодиод) с модулятором; 5 – фотоприемник с усилителем-демодулятором; 6 – АЦП; 7 – клавиатура; 8 – дисплей; 9 – внешний интерфейс; МК – микрокомпьютер.