close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1aleynikov a f gridchin v a tsapenko m p datchiki perspektivn

код для вставкиСкачать
А. Ф. АЛЕЙНИКОВ
В А. гр и а чи н
м. П ЦАПЕНКО
ПАТЧИКИ
П ЕР С П Е К ТИ В Н Ы Е НАПРАВПЕНИЯ РАЗВИТИЯ
^а^ес
А1(а1. ВатаЫ . А8Т11,
Р1ТаВ. ПТ-41
2006 . 12.10 19 :04:48 *0 6 Ш
М и н и с тер с тво о б р а зо в а н и я Р о сси й ск о й Ф ед ер ац и и
Н о во си б и р ск и й го су д ар ствен н ы й тех н и ч е ск и й ун и вер си тет
С ибирское отделение Российской А кадем ии
сельскохозяйсвенны х наук
А, Ф, АЛЕЙНИКОВ, В. А. ГРИДЧИН, М. П. ЦАПЕНКО
ДАТЧИКИ
(перспективные направления развития)
Под редакцией профессора М. П. Цапенко
У т в ер ж д е н о
Р ед а к ц и о н н о -и зд ате л ь с к и м со в ето м у н и в е р си те та
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2001
УДК
6 8 1 5 8 6 (075.8)
Л 458
Р е ц е н з е н т ы
д-р техн. наук, проф., акад. М етролог, академ ии Б. М. Р огачевский;
д-р техн. наук, проф ., чл.-корр, АН М олдовы ,
акад. М еж дунар. ак ад ем и и и н ф орм ати зац и и И. Ф. К чист орин
Книга издана при содейст вии Президиума СО Россельхозакадемии
А лейников А. Ф ., Гридчин В. А., Ц апенко М . П.
А 458
Д атч и к и (п е р с п е к ти в н ы е н ап р а вл ен и я р азви ти я): У чеб.
п о со б и е / П од ред. проф . М. П. Ц ап ен ко. — Н о во си б и р ск :
И зд-во Н ГТ У 2001. — 176 с.
18ВМ 5-7782-0300-4
В пособии приведены классификация и алгоритмы восприятия физичес­
ких величин и формирования измерительных сигналов в датчиках. Раскрыты
понятия многомерных, многофункциональных и многоступенчатых датчиков.
Даны сведения о биологических датчиках.
Рассмотрены основы и возможности микроэлектронной технологии
изготовления датчиков.
Книга предназначена для студентов, изучающих измерительную, ин­
формационную технику, автоматику и микроэлектронику.
УДК
681.586 (075.8)
18ВМ 5-7782-0300-4
© Новосибирский государственный технический университет. 2001 г.
О ГЛ А ВЛ ЕН И Е
ПРЕДИСЛОВИЕ............................................................................................................................................................ 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ Т ЕРМ И Н О В...................................................................................5
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 11 ОПРЕДЕЛЕНИЯ ..........................................................................11
1.1. Датчики. С енсоры . Чувствительны е э л е м е н т ы ........................................................... 1 1
1.2. О классификации д а т ч и к о в.......................................................................................................13
С писок литературы к главе 1 ...........................................................................................................22
ГЛАВА 2. ОДНОМЕРНЫЕ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ ДАТЧИКИ....................................................... 23
2 .1 . Варианты построения и м етрологические х а р а к т ер и ст и к и ..............................
23
2.2. А втоматизация поиска набора п осл едовател ьн ости
ф и зи ч еск и х явлений ............................................................................................................. 36
2 .2 .1 .О сн о в н ы е п о л о ж е н и я ............................................................................................................ 36
2 .2 .2 . М ето д и к а п ои ск а с т р у к т у р ы ...........................................................................................43
2 .2 .3 . Результаты поиска п р и н ц и п ов дей стви я
м н о г о с т у п е н ч а т ы х д а т ч и к о в ............................................................................................. 51
С п и сок литературы к главе 2 ....................................................................................................... 53
ГЛАВА 3. МНОГОМЕРНЫЕ Д А Т Ч И К И .......................................................................................................... 5 5
3.1. М етоды разделения входны х в е л и ч и н ............................................................................... —
3.2. Д вухм ерн ы е д а т ч и к и ....................................................................................................................56
3.3 Т рехм ерны е д а т ч и к и ................................................................................................
65
3. 4. Коррекция погреш н остей изм ерительны х сигналов
м н о г о м е р н ы х д а т ч и к о в ........................................................................................................ 74
С п и со к литературы к главе 3 ....................................................................................................... 78
ГЛАВА 4. БИОДАТЧИКН ........................................................................................................................................81
4 .1 . О сновны е понятия и о п р е д ел е н и я ........................................................................................ 81
4.2 . О сновны е принципы действия и м етрол оги ч еск и е характеристики ..........
85
С писок лптерату'ры к главе 4 ...........................................................................................................99
ГЛАВА 5. МИКРОЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДАТЧИКОВ............... 100
5 .1 .
О сновны е этапы кремниевой м икроэлектронной т е х н о л о г и и .........................—
5.2 . С пециальны е вопросы технологии м икроэлектронны х д а т ч и к о в ................ 123
5.3. Технология соеди н ен и я элем ентов конструкции д а зч и к а ..................................... 134
5.4. П рим енение микроэлектронны х технологий для создания дат ч и к ов
141
5.5. Т енденции п роизводства .микроэлектронных д а т ч и к о в .........................................159
С п и сок литературы к главе 5 ......................................................................................................... 160
П РИЛ ОЖ ЕНИЕ...................................................................................................................................................... 162
П РЕ Д И С Л О В И Е
В соврем енном мире изм ерения определяю т п р о ф е с с в науке и тех­
нике и являю тся сущ ественны м ф актором развития человеческой циви­
лизации. К измерениям с особы м вним анием относятся и государства и
отдельны е люди, поскольку они касаю тся всех. Ф ундам ент измерений
образую т датчики — устройства, дополняю щ ие и расш иряю щ ие возм ож ­
ности органов чувств человека.
П р о и зв о д ств о д атч и к о в для р а зн о о б р а зн ы х и зм ер и тел ьн ы х с и с­
тем является наиболее динам ичны м сектором м ировой эконом ики. В
1995 году общ ий объем продаж датч и ко в в м и ре д ости гал 6 м и лл и ­
онов долларов. К 2005 году ож идается удвоение этого объем а. С р ед­
ний рост объем а продаж составляет не менее 6 % в год, однако произ­
в о д с т в о д а т ч и к о в дл я а в т о м о б и л е й и и н т е л л е к т у а л ь н ы х д а т ч и к о в
растет ещ е бы стрее — до 20 %.
Т ем п ы н ак о п л ен и я и н ф о р м ац и и в о б л а ст и р а з р а б о т к и и п р о и з­
во д ства датч и ко в чрезвы ч ай н о вы соки . Э то д е л ае т аб со л ю тн о н ео б­
ходи м ы м издание книг, о ф а ж а ю щ и х новейш ие тен ден ц и и в науке о
датчиках.
П р е д л а г а е м о е вн и м ан и ю ч и т а т е л я и зд ан и е я в л я е т с я п о п ы тк о й
х отя бы части чн о восп ол н и ть пробел в учебн ой л и тер ату р е, во зн и к ­
ш ий в России за последнее десятилетие.
А вторы вы раж аю т б л агод арн ость доктору техни чески х наук, ака­
д ем и ку М етр о л о ги ч еско й ак ад ем и и , п ро ф ессо р у Б.М . Р о гач евск о м у
и д о к то р у техн и ческ и х наук, за сл у ж ен н о м у деятел ю науки и членукорр есп о н д ен ту АН М олдовы , п роф ессору И.Ф . К листори н у за тщ а­
те л ьн о е р ец е н зи р о ван и е р у к о п и си и в ы ск азан н ы е им и п о л езн ы е за ­
м еч ан и я.
М1СготесНап1са1Тгап$бисег5. — 8оигвЬоок. — 1.Т.А. К оуасз, Мс. Огелу№ 11.
1трас1 оР М Е М 8 ТесНпо1о§у оР 8ос1е1у — Р. Вгугек — Зепзогз апб
АсШсГогз, А56, (1996), р. 1— 6.
О П РЕД Е Л ЕН И Е И С П О Л ЬЗО В А Н Н Ы Х ТЕРМ И Н О В
А б со р б ц и я — поглощ ение газа всем объемом ж идкости или твердого
тела (абсорбентом ).
А д гези я — сц еп л ен и е соп ри к асаю щ и хся п оверхн остей двух р аз­
нородны х ж и дкостей или тверд ы х тел, обусловлен н ое главны м о б р а­
зом в за и м о д ей с тв и е м м еж д у ч асти ц ам и (ато м ам и , и о н ам и , м о л е к у ­
лам и ) или хи м ической связью .
А д с о р б ц и я — концентрирование вещ ества (ад сорб ата) из объем а
газообразной или ж идкой среды на поверхности ее р аздела с ж и д к о ­
стью или тверд ы м телом (ад сорб ен том ) под дей стви ем сил п ри тяж е­
ния частиц вещ ества (атом ов, ионов, м олекул).
А к у с т и ч е с к и е в о л н ы — упругие возм ущ ения. Р аспространяю щ и­
еся в тв ер д о й , ж и д кой или газо о б р азн о й ср е д а х в д и ап азо н е ч а сто т
от долей Гц до 10'’ Гц.
А к ц е п т о р — прим есны й атом в полупроводнике, сп особны й зах ­
ваты вать эл ек тр о н из вал ен тн ой зон ы , что эк ви вал ен тн о появлен и ю
в ней ды рки.
А н и зо т р о п и я — зависим ость ф изических свойств (м еханических,
о п т и ч е с к и х , э л е к т р и ч е с к и х , м а гн и тн ы х ) в е щ е с т в а о т н ап р а в л ен и я ,
связан ная с си м м етр и ей кри стал лов, которая п роявляется тем с и л ь ­
нее, чем ниже (хуж е) сим м етрия кристалла.
А нод — эл ектрод эл ек трон н ого или электр о тех н и ческо го п ри бо­
ра или у с т р о й с т в а (н а п р и м е р , эл ек тр о в а к у у м н о го п р и б о р а, г а л ь в а ­
н и ч еск о го эл ем ен т а), хар ак тер и зу ю щ и й ся тем , что д в и ж ен и е э л ек т­
ронов во внеш ней цепи направлено о т него. В электронны х приборах
соеди н ен с п ол ож и тел ьн ы м п олю сом и сточн и к а п осто ян н о го тока.
В а к у у м — среда, представляю щ ая собой газ при давлении м ен ь­
ше атм о сф ер н о го .
Валентная зона — энергетическая область разреш енны х электрон­
ных состояний в твердом теле; при Г = О К целиком заполнена вален­
тн ы м и эл ек тр о н а м и .
И н дук тивная связь — электрическая связь между элем ен там и элек­
трической цепи, возникаю щ ая за сч ет м агнитны х полей, создаваем ы х
п р о текаю щ и м и в этих эл ем ен тах п ерем ен н ы м и ток ам и и х ар ак тер и ­
зую щ аяся реактивной п ровод и м остью и н дуктивного типа, или вели ­
чи н ой в заи м н о й ин дук ти вн ости .
И н ж ек ци я — введен и е н еравн о весн ы х (и зб ы то ч н ы х ) н оси тел ей
зарядов в полупроводниковы й или диэлектрический обр азец под дей­
ствием внеш него эл ек три ч еского поля.
И нтерф еренция волн — слож ение двух или более волн, при кото­
ром ам пли туда результи рую щ ей волны зави си т от разн ости фаз этих
ВОЛН в д ан н ой то ч к е про стран ства.
И м п л а н т а ц и я (и о н н о е л е г и р о в а н и е ) — в в ед е н и е л е ги р у ю щ и х
прим есей в твердое тело, осущ ествляем ое посредством бом бардировки
его' ионами примесного вещества, изменяю щ ее величину и тип электро­
проводности кристалла полупроводника или его отдельны х участков.
И о н и за ц и я — о б р а зо в а н и е п о л о ж и тел ьн ы х или о тр и ц а тел ь н ы х
и о н о в из эл ек тр и ч ес к и н ей тр ал ь н ы х ато м о в , м ол еку л , р а д и к ал о в и
други х частиц.
К а т о д — эл ек тр о д эл ек тр о н н о го или э л ек тр о те х н и ч е ск о го п р и ­
б о р а или у ст р о й ств а (н ап р и м ер , э л е к тр о в а к у у м н о го п р и б о р а , гал ь ­
ван и ческого элем ента), характери зую щ егося тем , что дви ж ен и е эл ек ­
тр о н о в во внеш ней цепи нап равлено к нему.
К огер ен тн ость — свойство двух или более колебательны х, волно­
вы х или каких-либо других процессов, определяю щ ее их способность
при слож ен и и взаим но уси л и вать или о сл абл ять д руг друга.
Л а зер — и сточн и к к о ге р е н тн о го эл е к т р о м а г н и т н о г о и зл у чен и я
о п ти ч еск о го ди ап азона, д ей стви е к о то р о го осн о в ан о на и сп о л ь зо в а­
нии вы н уж ден ного излучения атом ов и м олекул.
Л еги р ов ан и е — см. И мплантация.
Л и то гр аф и я — сп особ ф орм и рован и я задан н ого р ел ьеф а в слое
м етал ла, д и эл ектр и ка или п о л у п р о во д н и к а в п роц ессе и зго то вл ен и я
и н тегр ал ьн ы х схем или п о л у п р о во д н и ко вы х п ри боров.
М агн и тная индукц ия — векторная величина, основная хар акте­
р и сти ка м агнитного поля в вещ естве, представляю щ ая собой среднее
зн ач ен и е сум м арн ой н ап ряж енн ости А м и кр о ско п и ч ески х полей, с о ­
зд ан н ы х о тд ел ьн ы м и эл ек трон ам и и други м и эл ем ен тар н ы м и ч а сти ­
цам и
по д о с та то ч н о
м алом у
м акроскопическом у
объему
V: 5 = [[ Ы У
В торичная эм иссия (электронная) — испускание электронов (вт(
ричны х) тверды м и или ж идким и телам и (эм иттерам и) при их бом барди­
ровке электронам и (первичны м и), которая мож ет наблю даться как на по­
вер хн ости , п о д в ер гаем о й бом б ард ировке, так и на п ротивополож ной
поверхности.
В ы прям итель — преобразователь переменного тока в постоянный.
В ы сок очастотн ы й разряд — газовый разряд, поддерживаемый с по­
мощ ью энергии поля высокой или сверхвы сокой частоты.
Г азовы й разряд — прохождение электрического тока через газ или
испаренны е м еталлы под действием электри ческого поля.
Г а м м а-и зл уч ен и е — электром агн и тн ое излучение с длиной вол­
ны короче 0,1 нм (частота свы ш е 3 1 0 '* Гц), обладаю щ ее ярко вы ра­
ж е н н ы м и к о р п у ск у л я р н ы м и свойст вам и.
Г ел и й -н еон ов ы й л а зер — атом арн ы й газовы й л азер, в котором
генерация происходит на эн ергети чески х переходах меж ду уровням и
эн ер ги и ато м о в неона.
Д и ам агн ет и зм — свой ство вещ ества н ам агн и чи ваться н австречу
н а п р а в л е н и ю д е й с т в у ю щ е г о на н его в н е ш н е г о э л е к т р о м а г н и т н о г о
поля.
Д и н од — эл ек тр о д ряд а эл ек тровакуум н ы х п ри боров (н ап ри м ер,
ф отоэлектрон ного ум нож ителя), служ ащ ий для усиления (ум нож ения)
всл ед стви е втор и ч н о й эл ек тр о н н о й эм и сси и п ад аю щ его на него п о ­
т о к а э л ек тр о н о в .
Д исперси я волн — зависим ость ф азовой скорости электром агнит­
ной волны от ее частоты .
Д и ф рак ц и я волн — в узком смысле: огибание волной препятствий,
захож дение в область геом етрической тени; в ш и роком — лю бы е на­
руш ения п ер в о н ач ал ьн о й ф орм ы во л н ового ф р о н та при р ас п р о ст р а­
нении волны в среде с неоднородностям и.
Д иф ф узия — взаим ное проникновение соприкасаю щ ихся вещ еств
друг в друга всл ед ствие н еуп орядоч ен н ого теп л о во го дви ж ен и я ч а с­
тиц вещ ества.
Д и эл ек тр и к и — тверды е, ж идкие и газообразны е вещ ества, основ­
ным электрическим свойством которы х является способность к поля­
р и за ц и и .
Дырка — квазичастпца, представляющ ая собой незаполненное элек­
тронное состояние (вакансию ) в валентной зоне полупроводника, кото­
рой присваивается полож ительны й заряд, равны й заряду электрона.
М агнитны й поток — поток вектора м агнитной индукции через ка­
кую -либо поверхность. М агнитны й поток через замкнутую поверхность
равен нулю.
М агиитом ягкий м атериал — м агнитны й м атериал с м алой коэр­
ц и ти вн о й си л о й , вы с о к о й о т н о с и т е л ь н о й м агн и тн о й п р о н и ц а е м о с ­
тью , сп о со б н ы й н ам агн и ч и ваться д о со с то ян и я те х н и ч е ск о го н асы ­
щ ения и перемагничиваться в относительно слабы х м агнитны х полях.
М а гн и то т в ер д ы й м атер и ал — м агн и тн ы й м атери ал с больш ой
к о эр ц и ти вн о й си л ой и о ст ато ч н о й н ам агн и ч ен н о стью .
М о д у л я ц и я — изм енение во врем ени по задан ном у закону п ара­
м е т р о в , х а р а к т е р и з у ю щ и х к а к о й -л и б о с т а ц и о н а р н ы й ф и з и ч е с к и й
процесс.
М он ок р и сталл — отдельны й однородны й кристалл, им ею щ ий во
всем о бъ ем е единую к ристаллическую реш етку.
М он охр ом ати ч н ость — спектральное свойство колебаний (волн),
х ар ак тер и зу ю щ ее степ ен ь их б л и зо с ти к идеальн ы м гар м о н и ческ и м
к о лебан и ям (во л н ам ).
М он охр ом ати ч еск ое и зл уч ен и е — излучение, обладаю щ ее свой ­
ством м о н охром атичн ости (см. М он охром ати чность). Н аиболее бли з­
ким к и деальны м гарм они ческим волнам является излучен и е лазера.
О к си ды (окислы ) — группа неорганических соединений хим ичес­
ких элементов с кислородом типа СО, N 0^, 1^а,0, Ре,0^ и т.п.
П ар ам агн ети к и — сл абом агн и тн ы е вещ ества, н ам агн и ч и ваю щ и ­
еся во внеш нем м агнитном поле вдоль направлени я поля.
П ассивирую щ ий слой — слой диэлектрической изоляции, покры ­
ваю щ ий всю интегральную схем у, за исклю чени ем п лощ адок, о став­
л ен н ы х для присоединения эл ектрически х контактов, и защ ищ аю щ и й
ее от н ебл агоп ри ятн ы х возд ей стви й окруж аю щ ей среды .
П и р оэл ек тр и к — кристаллический диэлектрик с особенной поляр­
н ой о сью , о б л а д а ю щ и й сп о н т а н н о й (с а м о п р о и зв о л ь н о й ) п о л я р и за ­
цией, проявляю щ ейся при и зм ен ении его тем п ературы .
П ол и к р и стал л — агр егат из бол ьш ого числа м елких м о н о кр и с­
та л л о в (к р и с тал л и то в , или к р и с та л л и ч е с к и х зе р е н ) р азл и ч н о й о р и ­
ен тац и и .
П оли м еры — вещ ества, м олекулы которы х образую тся из боль­
ш ого чи сла повторяю щ ихся м он ом ерн ы х звен ьев, соеди н ен н ы х м еж ­
ду соб ой хи м ически м и связям и.
П о л у п р о в о д н и к и — широкий класс веществ с электронным механиз
мом электропроводности, занимающих по ее удельному значению промежу­
точное место между металлами и диэлектриками.
П о л я р и з а ц и я (диэлектриков) — процесс возникновения в диэлек­
триках состояни я, характери зую щ егося наличием ди польного м ом ен ­
та у л ю б о го э л е м е н т а их о б ъ е м а (п о л я р и зо в а н н о г о со с то ян и я ) под
д ей стви ем вн еш н и х ф а к то р о в (эл е к тр и ч е ск и х полей, м ех ан и ч ески х
напряж ений, изм енения тем п ературы и др.).
П р е ц е с с и я (н ам агн и чен н ости ) — вращ ательн ое движ ение п о сто ­
ян н о го по в е л и ч и н е в е к т о р а н ам агн и ч ен н о с ти ср ед ы , при ко то р о м
он о п и с ы в а е т к о н и ч ес к у ю п о в е р х н о с ть в о к р у г р а в н о в е с н о г о п о л о ­
жения, определяем ого внеш ним постоянным магнитны м полем и внут­
ренним и п олям и этой среды .
П р о во д и м о сть л -т и п а — электронная проводимость; проводимость
вещ еств, обусловленная наличием в них свободны х электронов.
П р о в о д и м о с т ь р -т и п а — ды рочная проводим ость; п роводим ость
п олуп ровод н и ка, в котором осн овн ы м и н оси тел ям и за р яд а являю тся
ды рки.
П ь е з о э л е к т р и к — кристаллический диэлектрик, способны й поля­
р и зо в а т ь с я п о д в о зд е й с т в и е м м е х а н и ч е с к о г о н ап р я ж е н и я (п р я м о й
п ь е зо эл е к тр и ч е с к и й э ф ф е к т ) и д е ф о р м и р о в а т ь с я п о д во зд ей с тви е м
п р и л о ж ен н о го вн еш н его эл ек тр и ч ес к о го поля (о б р атн ы й п ь езо эл ек ­
три чески й эф ф ект).
Р е зо н а н с — явл ен и е р езко го у вел и ч ен и я ам п ли туды вы н у ж д ен ­
ных к олебани й в колебательн ой си стем е, когд а часто та п ер и о д и чес­
кого возд ей стви я на си стем у п ри ближ ается к резо н ан сн о й частоте.
Р е к о м б и н а ц и я — исчезновение пары электрон п роводим ости —
д ы р к а в р е зу л ь та те их п р ям о го со у д ар е н и я или п о сл е д о в а те л ьн о го
захвата л окал ьн ы м и уровн ям и эн ергии в зап рещ ен н о й зоне полуп ро­
во д н и к а .
С в е т о в о й п о т о к — ф изическая величина, пропорциональная м ощ ­
ности оп ти ч еского излучени я, оц ен и ваем ая по его дей стви ю н а н о р ­
м альны й ч е л о веч еск и й глаз.
С е г н е т о э л е к т р и к и — кристаллические диэлектрики, обладаю щ ие
в о п р е д е л е н н о м и н т е р в а л е т е м п е р а т у р с п о н т а н н о й п о л я р и за ц и е й ,
н ап равл ен и е которой м ож ет бы ть и зм ен ен о вн еш н и м и во зд ей стви я­
ми (электри ческ и м полем или м ехан и ч ески м и напряж ениям и).
10
С орбц и я — поглощ ение жидким или тверды м телом (сорбентом ) ка­
кого-либо вещ ества (сорбата) из окруж аю щ ей среды.
Т ем п ер атур а — ф изи ческая величи на, характери зу ю щ ая со сто я­
ние терм одинам ического равновесия м акроскоп ической систем ы (сте­
пень н агретости тел).
Т ерм орезистор (терм истор) — полупроводниковы й резистор, элек­
тр и ч еско е соп роти вл ен и е к оторого изм еняется в зави си м о сти от из­
м ен ен и я тем п ературы .
Т ер м о б а т а р ея — с о в о к у п н о с ть т е р м о э л е м е н то в (см . Т ер м о э л е­
м ент), вк л ю чен н ы х п о сл ед о вател ьн о или п араллельн о.
Т ер м оэл ем ен т — эл ектри ч еская цепь или часть цепи, состоящ ая
из п осл едо вател ьн о соеди н ен н ы х р азн о р о д н ы х провод н и ко в или по­
л у п р о в о д н и к о в , сл у ж ащ ая дл я п р е о б р а зо в а н и я те п л о в о й эн ер ги и в
э л ек тр и ч еску ю .
У л ьтраф и олетов ое излучени е — излучение, длина волны которо­
го леж и т в диапазоне от 400 нм (ф иолетовы й видимы й свет) до 10 нм
(у л ь тр ам ягк о е р ен т ге н о в с к о е излучение).
Ф ерриты — м агнитны е м атериалы , представляю щ ие собой соеди ­
нения окси да ж елеза Ре^О, с окси дам и других м еталлов.
Ф ер р о м а г н е т и к и — гр у п п а в е щ ес тв, об л ад аю щ и х св о й ств ам и ,
о б у сл о вл ен н ы м и н аличи ем м агн и тн о го поряд ка, в ко то р о м э л ем ен ­
тар н ы е м агнитны е м ом ен ты со сед н и х атом ов о ри ен ти р о ван ы п арал­
л ел ь н о .
Ш ум — б есп о р я д о ч н ы е к о лебан и я (ф л уктуац и и ) р азл и ч н о й ф и ­
зи ч еско й природы , о тл и ч аю щ и еся сл ож н ой вр ем ен н о й и сп е к т р ал ь ­
ной стр у ктурой .
Э л ек треты — тела (образцы ) из диэлектриков, длительное время
со х р ан яю щ и е эл ек тр и зо в ан н о е со сто ян и е после снятия возд ей стви я,
в ы зв ав ш его эл ек тр и зац и ю .
Э м и сси я ч а ст и ц — и сп ускан и е эл ек тр о н о в , ионов, ато м о в или
м олекул в вакуум или иную среду тверды м телом или ж идкостью .
Э п и так си я — процесс наращ и вани я м он окри сталли чески х слоев
вещ еств н а п одлож ку (к р и с та л л ), при ко то р о м к р и с т а л л о г р а ф и ч е с ­
кая о р и ен тац и я н ар а щ и вае м о го сл оя п о в то р яет к р и с та л л о гр а ф и ч е с­
кую о р и ен тац и ю подлож ки.
Глава I
ОСНОВНЫ Е ПОНЯТИЯ
и ОПРЕДЕЛЕНИ Я
1.1. Д А Т Ч И К И . С Е Н С О Р Ы . Ч У В С ТВ И ТЕЛ ЬН Ы Е ЭЛЕМ ЕН ТЫ
Все изм ерения начинаю тся с восприятия изм еряемы х величин и ф ор­
м ировани я и зм ер и тел ьн о го си гн ала, к о то ры й далее п о д в ер гае т­
ся необходим ы м преобразованиям . Зам етим , что эти процессы нераз­
ры вн о связаны . П од восприятием величин п одразум евается свой ство
д атч и ков вы д елить и п ред стави ть входную величину в виде и зм ер и ­
тел ьн ого
сигнала, удоб н ого для дальн ей ш и х дей стви й н ад нею.
Ф ункцию восп ри яти я входной величины вы п о л н яет ч у в стви тель­
ный элем ент. П ри этом идентиф ици руется п ри рода величины и про­
исходит процесс её восприятия. В оф ициальны х изданиях (О сновны е
терм ины в области терм инологии; С ловарь-сп равочн и к /М . Ф. Ю дин,
М. Н. Селиванов, О. Ф. Тищенко, А. И. Скороходов; Под ред. Ю. В. Тарбеева, — М.: И зд-во стандартов, 1989 и в М И 2 2 4 7 -9 3 ГС И . М етро­
л о ги я. О сн о вн ы е тер м и н ы и о п р ед ел е н и я) ч у в стви тел ь н ы й эл ем ен т
о п р ед ел яе тс я как ч а ст ь и зм ер и те л ьн о го п р ео б р азо в ат ел я в и зм ер и ­
тельной цепи, восприним аю щ ая входную величину. Там же дано сле­
дующ ее определение датчика: датчи к — конструктивно обособленны й
первичный измерительный преобразователь, от которого поступают сиг­
налы изм ерительной инф орм ации (он «даёт» инф орм ацию ). Нужно
учесть, что п ервичн ы й п реоб разовател ь м ож ет н аходиться в и зм ери ­
тельной цепи лю бого средства измерений и не обязательно долж ен быть
датчиком , т. е. конструктивно обособленны м .
И так, датч и к — это и зм ер и тел ьн ы й п рео б р азо вател ь, во сп р и н и ­
м аю щ ий входную величину и ф орм и рую щ и й экви вален тн ы й ей в ин­
12
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫ Е ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ф орм ационном см ы сле изм ерительны й сигнал. Д атчик — обособленная,
часто вы несенная к объекту исследования конструкция, удаленная от о с­
тальной изм ерительной аппаратуры. Д атчик — компактный, конструктив­
но оф орм ленны й отдельно элемент.
В и зм ер и тел ьн о -и н ф о р м ац и о н н о й техн и ке за рубеж ом и сп о л ьзу ­
ю т н есколько терм и н ов, отраж аю щ и х особ ен н ости вы п олн ен и я ф ун­
кций во сп р и яти я и ф о р м и р о ван и я и зм ер и те л ьн ы х си гн ало в: зепзог,
§ап§е (англ.), ОеЬег, Р п т а г т е з з и т Г о г т е г (нем.), Тгапзс1ис1еиг бе т е зи ге
(ф ранц.). Т ерм ин «сенсор» уж е давно «просочился» на страницы о те­
чествен н ы х научны х публикаций. В н астоящ ее врем я сл о ж и л о сь та­
кое полож ен ие, что терм ин ы «датчик» и «сенсор» и спользую тся для
о б о зн ач ен и я и зм ер и те л ьн о го п р ео б р азо в ат ел я , вы п о л н яю щ его ф ун ­
кции во сп ри ятия входной величины и ф ор м и р о ван и е и зм ер и тел ьн о ­
го си гн ала.
Зам етим , что терм ин «сенсор» акцентирует вним ание на восприя­
ти и вх о д н о й в е л и ч и н ы , а те р м и н «датч и к» — на ф о р м и р о в а н и и и
вы д ач е и зм ер и тел ьн о го си гн ала. П од сен со р о м п о н и м ается п ер в и ч ­
ны й и зм е р и т е л ь н ы й п р е о б р а з о в а т е л ь , в о с п р и н и м а ю щ и й в х о д н у ю
в ел и чи н у и ф орм и рую щ и й и зм ер и тел ьн ы й си гн ал. На к он струкц и ю
и на другие особенности при этом никаких ограничений не наклады ­
вается. С л е д о вател ь н о , и се н со р и д атч и к вы п о л н яю т о дн у и ту же
ф ункцию восприятия входной величины и ф орм ирования и зм еритель­
ного си гн ала.
Т аким о бразом , в н астоящ ее вр е м я разум но п ри зн ать п р ав о м ер ­
ным и сп ользован и е обоих эти х терм и н ов. В русской л и тер ату р е б о ­
л ее ш ироко и сп ользуется терм ин «датчик». Т ерм и н ол оги я в области
ф и зи ч ески х явлени й пред ставл ен а в книге Э лектроника: Э н ц и к л о п е­
дический словарь. — М .: С оветская энциклопедия, 1991. — 688 с.
С ердц евиной чувствительны х элем ен тов датчиков является вещ е­
ство (м а тер и а л ), которое во с п р и н и м а ет вход н ую ф и зи ч еску ю вел и ­
чину. В нем с пом ощ ью определен ного ф изического явления входная
вели чи н а п р еоб разуется в сигнал, поступаю щ ий в п оследую щ ую из­
м ери тельн ую цепь. П ом и м о чувстви тельн ого эл ем ен та в и зм ер и тел ь­
ную цепь м огут входить усилители, делители , ф ильтры , м одуляторы ,
а та к ж е и ны е у ст р о й ств а п р е о б р а зо в а н и я и зм ер и те л ь н о го си гн ал а,
так как нередко нужно произвести изм енения разм еров или х ар ак те­
ра ф и зи ч еск о й вели чины , преж де чем п одавать ее на вход датчика.
П о казател ьн а в этом см ы сл е н ео б х о д и м о сть довести р азм ер ы вы со ­
1 , 2 . 0 классификации датчиков ________________________
.___________________
ковольтных напряж ений и токов входных величин до безопасного уровня
и, наоборот, при восприятии м алы х по уровню величин усилить их, что­
бы бы ло возм ож но с ними работать.
Э ти важ н ы е о п ер а ц и и вы п о л н яю т ся сп ец и ал ь н ы м и эл ем ен там и ,
о б л а д а ю щ и м и и зв е ст н ы м и м етр о л о ги ч е ск и м и х ар а к тер и с ти к ам и . В
и зм ер и те л ь н о й те х н и к е п р и м ен яю т та к ж е у н и ф и ц и р у ю щ и е (н о р м а ­
л и зу ю щ и е) п р ео б р азо в ат ел и , п ри вод ящ и е си гн алы д атч и к о в к у с т а ­
н о вл ен н ы м н о р м ам . Д е л а е т с я это д л я и с п о л ь зо в а н и я с т а н д а р т н о й
и зм ер и те л ь н о й ап п а р ат у р ы .
До сих пор особенно остро стоит проблема создания простых мало­
габаритны х и легко разм ещ аем ы х на объекте исследования датчиков.
Сош лемся на то, что при прочностных испытаниях больш их самолетов
использую тся десятки ты сяч тензо- и термодатчиков, а также датчиков
перемещений, сил, давления и т. п.
Б и о л о ги ч ески е и ссл ед о ван и я зач асту ю н у ж д аю тся в во сп р и яти и
м н о ж е с тв а ве л и ч и н о т и ст о ч н и к о в и н ф о р м ац и и , р а с п о л о ж е н н ы х в
о г р а н и ч е н н о м п р о с т р а н с т в е ж и в о го о р г а н и зм а . О с н о в н а я о с о б е н ­
ность и п ред н азначен и е таких (н азовем их м н огом ерн ы м и ) датчиков
закл ю ч аю тся в том , что они м огут восп ри н и м ать и п р ео б р азо вы вать
в и зм ерительны е сигн алы неск о льк о величин, дей ствую щ и х в м алом
объём е п ространства [1.1].
Т аки м о б р а зо м , п од датч и ко м сл е д у е т п о н и м ать к о н стр у к ти вн о
обособленную совокупн ост ь пер ви чн ы х изм ер и т ельны х п р ео б р а зо ва ­
телей, восприним аю щ ую одну или несколько входны х величин и пре­
образую щ ую их в изм ерительны е сигналы [1.2]. С ледует сказать, что
для вы п ол н ен и я ф ун кц и й в о сп р и яти я вход н ы х вели чи н и сп о л ьзу ю т
такж е и зм ери тел ьн ы е устан овки , состоящ и е из слож ной со во ку п н о с­
ти эл ем ен т о в и со д ер ж ащ и е сл о ж н ы е в р е а л и зац и и ф и зи ч ески е эф ­
ф екты . В настоящ ем пособи и они п одробн о не р ассм атри ваю тся.
1.2. О К Л А С С И Ф И К А Ц И И Д А Т Ч И К О В
Р азл и ч аю т датч и ки , о сн о в ан н ы е на р азн ы х п р и н ц и п а х д ей ст ви я
(э л е к т р и ч е ск и х , ак у сти ч еск и х и д р .) [1 .3 ]. Д ал ее и сп о л ьзу ю тся для
к л асси ф и к ац и и с т р у к т у р н ы е и ф у н к ц и о н ал ьн ы е п р и зн аки , х а р а к т е ­
р и зую щ и е датч и ки .
А кти вн ая (э н е р г е т и ч е с к а я ) вхо д н а я ве л и ч и н а м о ж ет в о с п р и н и ­
м аться н еп о ср ед ствен н о . Д ля восп ри яти я ж е свой ств п асси вн ого
_______________________ ГЛАВА /. ОСНОВНЫ Е ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
(в энергетическом см ы сле) вещ ества необходимо придать ему энергети­
ческие свойства, воздействуя на это вещ ество дополнительной энергией.
Н априм ер, пропустить через сопротивление ток и получить в качестве
парам етра вещ ества напряж ение, образовавш ееся на его сопротивлении.
О ценить разм ер входной величины мож но, используя разность результа­
тов этой оценки до и после ее воздействия. Таким образом , в соответ­
ствии со сказанным м ожно вы делить акт ивны е (генераторны е) и пассив­
ны е (п арам етрические) датчики.
К лассиф икационны м признаком такж е служ ит характер вы ходного
сигнала датчика. Выходной измерительный сигнал датчиков мож ет быть
п ром одулирован различны м образом . М огут бы ть использованы ам п­
литудная (АМ ), частотная (ЧМ ), фазовая (Ф М ) м одуляции. Сигнал мо­
ж ет бы ть представлен в непрерывной, им пульсной и цифровой форме.
С реди аналоговы х видов м одуляции следует вы делить частотную . Она
является аналогом модуляции сигналов в рецепторах биологических ана­
лизаторов [1.4], имеет повышенную помехоустойчивость и несколько ин­
ф орм ационны х параметров (частота, ф аза, длина волны, период). Нуж­
но о тм ети ть л егк о сть п ерехода от часто тн ы х си гн ал о в к ц и ф ровы м ,
п отен ц и альн о вы сокую то ч н о ст ь оп ерац и й с частотн ы м и сигн алам и ,
наличие Государственной службы частоты и времени. Кроме того, прин­
ципы построения датчиков — генераторов частотных сигналов — дос­
тато ч н о х о рош о разработан ы . К частотны м датчикам м ож но отнести
датчики резонансного типа, маятниковы е, струнные, ядерно-магнитны е
устройства, ЕС и ЯС генераторы , частотно-зависимы е цепи, ультразву­
ковы е устройства, а такж е датчики, основанны е на использовании по­
тока фотонов, на эффекте Баркгаузена, на терм ош ум ах и т. п. При ис­
пользовании электромагнитных, оптических, звуш вы х частотных сигналов
возможны их беспроводная передача, генерация образцовых сигналов в ближ­
ней зоне и организация сотовой структуры, обслуживающей одновременно
несколько датчиков. Ш кала генерируемых частот может быть достаточно ши­
рокой.
О с т а н о в и м с я на и сп о л ь зу ем о й д а л е е к л а сс и ф и к а ц и и д а тч и к о в .
О тли чи е п р ед л агаем ой класси ф и кац и и от и звестны х заклю чается во
введении некоторы х новы х классиф икационны х признаков, характери­
зую щ их новые тенденции развития датчиков.
Н а входе датч и ков м огут д ей ство вать ф изи ч ески е величины , из­
м ер яем ы е н еп осред ствен н о, или их со ставл яю щ и е (при вы п олн ен и и
к освен н ы х и зм ерений).
2. О классификации датчиков
Как уже говорилось, энергетические свойства входных величин по­
зво л яю т п о д р а зд ел и ть д а тч и ки на ак т ивны е и п а сси вн ы е. В ак т и в ­
ных д атч и ках вход н ы е величин ы и м ею т эн ер гети ч еск у ю п рироду, в
пассивны х — н еэн ергети ч ески й (вещ ествен н ы й ) параметр.
А кти вн ы м и вход н ы м и вел и чи н ам и явл яю тся п ар ам етр ы эн ер ги и
эл ек тр и ч ес к о й , м агн и тн о й , те п л о в о й , м ех ан и ч ес к о й , ак у с ти ч е ск о й ,
о п ти ч еско й , рад и ац и о н н о й и хи м и ческ ой природы .
П риведём краткий перечень основны х активны х входных величин.
Э л е к т р и ч е с к а я э н е р г и я ; напряж ение; ЭДС ; потенциал; ток; заряд;
м о щ н ость; эн ерги я.
М а г н и т н а я э н е р г и я ; м агн и тодви ж ущ ая сила; м агнитны й поток;
м агн и тн ая ин дукц и я.
М е х а н и ч е с к а я э н е р г и я ; сила; м асса; давление; м еханическое на­
пряж ение; скорость; ускорени е; м ощ н ость; энергия.
А к у с т и ч е с к а я э н е р г и я : акустическое давление; интенсивность зву­
ка; м ощ н ость; энергия.
Т е п л о в а я э н е р г и я ; тем пература; тепловой поток; терм одинам ичес­
кий п отен ц и ал .
О п т и ч е с к а я э н е р г и я : м ощ ность излучения; поток излучения; ос­
вещ ен н о сть; ярк ость; сп е к тр ал ь н ая п л отн ость; си л а света; св ето в о й
п о то к .
И о н и за ц и о н н а я э н е р г и я : энергия излучения; м ощ ность дозы излу­
чения; поток излучения.
Х и м и ч е с к а я э н е р г и я : м олярная энергия; хим ический потенциал.
П ас си в н ы е си гн ал ы при во с п р и я ти и н у ж д аю тся в п р е о б р а з о в а ­
нии их в активны е, эквивален тн ы е входны м эн ергети чески е сигналы .
Затем , так же как и сигналы активны х датчиков, они восп ри н и м аю т­
ся и п реоб разую тся с пом ощ ью о п ред ел ён н ого ф и зи ческого эф ф екта
в вещ естве чувстви тельн ого эл ем ен та в и зм ери тельн ы й сигнал.
П риведём п еречен ь п ассивны х входны х величин.
Э л е к т р и ч е с к а я э н е р г и я : проводим ость; сопротивление; ди элект­
р и ч еск ая п р о н и ц аем о сть .
М а г н и т н а я э н е р г и я ; м агн и тн ая п рон и ц аем о сть; ин дукти вн ость;
в за и м о и н д у к т и в н о с т ь .
М е х а н и ч е с к а я э н е р г и я ; м асса; м еханическое сопротивление; вяз­
кость; трение; тв ерд ость; длина; площ адь; объ ем ; расход.
А к у с т и ч е с к а я э н е р г и я : акустическое сопротивление; акустическая
проницаемость; коэффициенты поглощ ения, отраж ения и рассеивания.
16
ГЛАВА Г ОСН ОВНЫ Е ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Т е п л о в а я э н е р г и я : теплоем кость; коэффициенты теплопроводности,
теплопередачи.
О п ти ческая энергия: коэф ф ициенты отраж ения, рассеивания, про­
п ускания, п рел ом л ен и я; цвет; п оляри зац и я.
И о н и за ц и о н н а я эн ер ги я : п о сто ян н ая р ад и о ак ти в н о го р асп ад а;
к о эф ф и ц и ен т п огл о щ ен и я.
Х им ическая энергия: м олярны й объем; диф фузия; концентрация;
м о л я р н ая эн троп и я.
Р асс м о т р ен н ы е п ер е ч н и вы б о р о ч н ы и м о гу т б ы ть су щ е ствен н о
дополнены .
По количеству восприним аем ы х и преобразуем ы х величин м ож но
выделить датчики одном ерны е, оперирую щ ие с одной величиной, и пм ерны е (многомерны е), воспринимаю щ ие несколько (« ) входных вели­
чин. М н огом ерн ы е датчи ки м огут им еть общ ие элем ен ты и поэтом у
м огут бы ть прощ е, чем совокупность одном ерны х датчиков [1.1].
П о к о л и ч еству вы п о л н яем ы х д атч и ко м ф ун к ц и й их м о ж н о р аз­
д ели ть на о д н о ф ун кц и о н а льн ы е и м н о го ф ун к ц и о н а л ьн ы е (т = 2 ,3 ...).
М н о г о ф у н к ц и о н а л ь н ы е д а т ч и к и м о гу т п о м и м о о с н о в н о й ф у н кц и и
(восп рияти е величины и ф орм и рован и е и зм ерительн ого си гн ала) вы ­
п о л н ять ряд д о п о л н и тел ьн ы х ф ун кц и й , таки х как, н ап р и м ер , ф у н к­
ции ф и л ьтр ац и и , о б р а б о т к и ан а л о го в ы х си гн а л о в и т. п. А вторы в
преды дущ их п убликациях и сп о л ьзо вали терм и н «м н о го ф у н к ц и о ­
н ал ьн ы й датчи к» для о б о зн ач ен и я датч и ко в , сл уж ащ и х для в о с п р и ­
ятия и п р ео б р азо ван и я н е ск о льк и х вхо д н ы х вели ч и н . О дн ако терм и н
« м н о гоф ункцион альн ы й датчик» б ол ее ц ел есооб р азн о отнести к д а т ­
чикам , каж ды й из которы х вы полняет н есколько из.мерит ельны х ф ун­
кций. Зам етим , что датчики м ногоф ун кц и он ал ьн ы е, так ж е как и м н о­
г о м е р н ы е , по с в о и м с в о й с т в а м п р и б л и ж а ю т с я к и зм е р и т е л ь н ы м
си с те м а м .
М н огоф ункцион альны е датч и ки ин огда назы ваю т и н теллектуаль­
ны м и [1.5]. К таким датчи кам , видимо, м ож но отнести ан алоговы е и
цифровые датчики с суммированием сигналов, с перестраиваемыми ре­
ж им ам и работы и параметрами, с функциональны м аналого-цифровы м
преобразованием , м етрологическим обслуж иванием и т. п. Ш ироким и
ф ункциональны ми возм ож ностям и долж ны обладать датчики со встро­
енны ми микропроцессорами. Заметим, что в первичных измерительных
преобразователях средств изм ерений, в которы х состав и ком поновка
не ограничены, микропроцессоры с успехом использую тся уже сейчас.
1.2 О классификации датчиков
‘3
В датчиках м огут использоваться последовательно или параллельно
один или несколько ф изических эффектов, т. е. они м огут бы ть одност у­
пенчат ы м и и м н огост упенчат ы м и. В настоящ ее врем я датчики, воспри­
нимаю щ ие более трех величин, атак ж е датчики, выполняю щ ие более трех
функций и основанны е на использовании более трех ф изических явле­
ний, довольно редки.
И так, д а тч и ки м ож н о п ред стави ть в тр ех м ер н о м п р о стр ан стве с
к о о р ди н атам и ; ко ли ч ество величи н — п; коли ч ество ф ункций — т;
к оли чество ступ ен ей п реоб разован и й — /.
К ром е н азван н ы х д а тч и к о в м ож н о о тм ет и ть д атч и к и , в ы п о л н я­
ю щ ие сист ем ны е ф у н щ и и , к которым относятся восприятие полей тем ­
п е р а т у р ы , д е ф о р м а ц и й и т. д.
П о т е х н о л о ги и и зго то вл ен и я д а тч и к и м ож н о у сл о в н о р азд ел и ть
на э.пе.ментные, и зго тавл и ваем ы е из н аб ора отд ельн ы х эл ем ен то в, и
и)ппегра.льные, с одноврем енны м изготовлением по и н теф ал ьн о й м ик­
р о эл ек тр о н н о й те х н о л о ги и всех составн ы х эл ем ен то в датч и ков. Э та
тех н о л о ги я п о зво л яет о б есп еч и ть д атч и кам вы д аю щ и еся х ар а к тер и ­
стики (см. главу 5).
О собо сл едует вы д ели ть б иоло ги чески е датчики , в которы х в ка­
ч е стве ч у в ст в и те л ь н ы х э л ем ен т о в и сп о л ьзу ю тся р ец е п то р н а я часть
би ологических органов чувств, ферм енты и другие вещ ества и элект­
рон н ая часть, ф орм и рую щ ая и зм ери тел ьн ы е сигн алы (см. главу 4).
В биологических анализаторах ж ивы х организм ов участвует очень
б о л ь ш о е к о л и ч ес тво р ец е п то р о в . Н ап р и м ер , р ец е п то р н о е поле зр и ­
тел ьн о го ан а л и зат о р а вк л ю ч а ет ок о ло 1О* рец еп то р о в, о б о н я тел ь н о ­
го и слухового ан али заторов — более 30 ты сяч рецепторов, р асп оло­
ж енны х в небольш ом объеме. Как известно (закон Ф ехнера), выходной
сигнал рец еп торов проп орц и он ал ен н атурал ьн ом у л о гар и ф м у и н тен ­
си в н о сти в о зд ей стви я со сторон ы во с п р и н и м а ем о й вел и чи н ы . С у м ­
м арны й сигнал поля рец еп торов зави си т от их количества. П ри этом
то ч н о сть восприятия град и ен тов вход н ы х величин будет зави сеть от
р азм ер о в р ец еп то р о в. Б о льш о е, и зб ы точ н ое коли ч ество р ец еп торов,
к ром е п овы ш ен и я н ад еж н о сти за сч ет м н о го к р атн о го д у б л и р о ван и я
и и н те гр и р о в ан и я их си гн а л о в , п о зв о л я е т о б е сп е ч и т ь п о вы ш ен н у ю
т о ч н о с т ь в о с п р и я т и я в х о д н о й ве л и ч и н ы . У м е н ь ш е н и е р а зм е р о в и
м ассы датч и ко в м ож ет п р и вести при восп ри яти и входн ой величины
к росту сум м арн ого вы ход ного сигнала, сниж ению влияния пом ех и,
в конечном счете, к повы ш ени ю досто в ер н о сти п о л у чаем ы х дан н ы х
________________________ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
[1.6— 1.7]. П реим ущ ества м иниатю рных датчиков особенно проявляю тся
при исследовании м алогабаритны х объектов.
П одняты е зд есь вопросы о п ри м енени и и зб ы то ч н о го к оли ч ества
элем ен тов им ею т больш ое зн ачен ие для изм ери тельн ой техн и ки , так
как они м огут улучш и ть кач ество изм ерений. Н аличие бо л ьш о го ко­
л и ч е с т в а эл ем ен т о в д е л а е т у м естн ы м п р и м ен ен и е ст а т и с т и ч е с к о г о
подхода к анализу и синтезу работы системы . Здесь налицо серьезная
ст ы к о в к а и зм ер и те л ьн ы х и вы ч и сл и тел ьн ы х задач. П о л о ж и тел ьн ы е
результаты в этом направлении м огут резко изм енить, м ож ет бы ть и
р ев о л ю ц и о н и зи р о в ат ь, и зм ер и тел ьн у ю тех н и ку (в о и ст и н у зд есь ко­
личество рецепторов мож ет перейти в изм енение качества измерений).
И так, датч и ки м огут к л а сси ф и ц и р о ваться в за ви си м о сти от па­
р ам етр о в следую щ им образом .
П о виду входны х величин: активны е; пассивные.
По количеству входны х величин: одном ерны е (л = 1); м ногом ер­
ные (л = 2, 3 ... п).
П о к ол и ч еству и зм ер и тел ь н ы х ф ункций: одн оф ун кц и он альн ы е
(от = 1); м н огоф ун кц и он ал ьн ы е (от = 2, 3 ... от).
П о колич еству преобразований энергии и вещ ества: одноступен­
чаты е (/ = 1); м ногоступенчаты е (/ = 2, 3 ... 1).
П о наличию ком пенсационной обратной связи: компенсационные;
н ек о м п ен са ц и о н н ы е.
П о виду м одуляции вы ходного сигнала: ам плитудны е; частотные
и ф азовы е; непреры вны е; им пульсны е.
По технологии изготовления: элем ентны е; интегральные.
По восприятию п р остр анственн ы х величин: точечны е; простран­
ствен н ы е.
По взаим одействию с источникам и инф орм ации: контактные; бес­
к о н так тн ы е (д и с тан ц и о н н о го д ей стви я).
П о виду и зм ерительны х сигналов: аналоговы е; цифровы е.
П о ди нам ич еском у характеру сигн алов п реобразования: дискрет­
ные (дискретное представление в виде импульсной последовательности):
н еп реры вн ы е (пред ставлены в виде н еп реры вн ого п роцесса).
С ам ое важ ное при анализе работы датчиков — это рассм отрение
п р и н ц и п ов их дей стви я, п ри м ен ен и я ф и зи ч ески х явлен и й , п о л о ж ен ­
ных в основу построения датчиков.
В н астоящ ей р аб о те р ас с м а т р и в а ю т с я п р еи м у щ ес тв е н н о ан а л о ­
говы е датч и ки , о тн о с и тел ь н о п росты е, с вы соким бы стр о д ей стви ем
и невы сокой стои м остью .
1. 2. О классификации датчиков
19
___________________________________________
Н у ж н о с к а за т ь н е с к о л ь к о сл о в о б о т н о с и т е л ь н о м а л о р а с п р о с т ­
ран ен ны х датч и ках, с ко м п ен са ц и о н н о й обратн ой связью . Т аки е д а т­
чики и ссл ед о ван ы п р о ф е ссо р о м М. М. Ф ети со в ы м [1.8]. К о м п ен са­
ц и о н н ы е д а тч и к и п р и м е н я л и с ь в а э р о д и н а м и ч е с к и х весах , а такж е
дл я у с т р а н е н и я вл и я н и я н а ч а л ь н ы х с о п р о т и в л е н и й т е н зо д а т ч и к о в
при м асс о в о й т е н зо м е т р и и [1 .9 ]. Р асш и р е н и е д и а п азо н а и зм ер ен и я
при это м п р о и с х о д и л о за с ч е т т о г о , ч т о к о м п е н с а ц и я п р о и зв о д и ­
лась по п о дд и ап азон ам и и зм ерял ась оставш аяся н еском п ен си рован ная часть. К о м п ен с ац и о н н ы е д атч и ки п о тен ц и ал ьн о м о гу т обл адать
п о в ы ш е н н о й т о ч н о с т ь ю . О д н а к о п р о ц ес с у р а в н о в е ш и в а н и я т р е б у ­
ет в р е м е н н ы х з а т р а т , с л е д о в а т е л ь н о , к о м п е н с а ц и о н н ы е д а т ч и к и
б о л ее и н ер ц и о н н ы .
О тм етим , кром е того, такж е полезность использован и я так н азы ­
ваем ы х пороговы х датчиков, вы даю щ их сигнал при достиж ении вход­
ной величиной заданного уровня. В таких датчиках реализую тся ф ун­
кции соб ствен н о д атч и ка и у строй ств а сравн ени я входн ой величины
с о б р азц овой м ерой.
М н о го м е р н ы е д а тч и к и м о гу т с ч и та тьс я р азн о в и д н о с ть ю м н о го ­
м ерны х и зм ери тел ьн ы х устрой ств [1.10]. Д ля р асчета эти х датч и ков
м ож но исп ол ьзовать со о тветствую щ и е разделы тео р и и м н огом ерн ы х
и зм ер и тел ьн ы х у ст р о й ств , в ч а ст н о сти , те о р ети ч ес к и й м атер и ал по
м н огосвязн ы м объ ектам и м етод ам и зм ерен и я их п арам етров. В н а­
стоящ ее врем я в эксп ери м ен те наиболее ш ироко использую тся о д н о ­
м ерн ы е, о д н о с ту п е н ч а ты е и о д н о ф у н к ц и о н а л ь н ы е датчи ки .
Д атчики во многом оп ределяю т качество средства изм ерений. Без
знаний м етрологических характеристи к датчик не м ож ет бы ть исполь­
зо ван как и зм ер и те л ьн ы й п р ео б р азо в ат ел ь.
М е тр о л о ги ч ес к и е х ар а к тер и с ти к и д атч и ка как ср е д с тв а и зм е р е ­
ний определяет ГО С Т 8.009 — 84 Н орм ируем ы е м етрологические х а­
р ак тер и сти к и ср е д с тв и зм ер ен и й . К осн о в н ы м таки м х ар а к тер и с ти ­
кам сл едует отнести:
• п о гр еш н о сть во сп р и яти я и п р ео б р азо ван и я (ж ел ател ь н о зн ать
сл учайн ую , си стем ати ч еск у ю , стати ч ескую , д и н ам и ч еску ю со с та в л я­
ю щ ие и закон расп р ед ел ен и я вероятн остей );
• характери стику (ф ункцию ) п реобразования датчика, представля­
ющую связь входной с выходной величинами: у = Д х ) и её линейность;
• д и ап азо н во сп р и яти я и п р ео б р азо ван и я вхо д н о й величины ;
• ч у в стви тел ь н о сть;
^ _______________________ ГЛАВА /. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
• частотны е и динам ические характеристики (переходная, амплитуд­
но-фазовая, амплитудно-частотная характеристики; время реакции; посто­
янная времени и др.).
К о сн о в н ы м с и с т е м а т и ч е с к и м п о гр еш н о ст я м д а т ч и к а сл е д у е т
о тн ести сл едую щ ие погреш н ости .
1. П о гр е ш н о с т и зн а ч е н и я м ер ы . Н ап р и м ер , з а гр я зн е н и е см ес и
воды со льд ом при опред ел ен и и «нулевой» тем пературы терм оп ары .
2. П огреш ности при опред ел ен и и х ар ак тери сти к датчика. Н ап ри ­
мер, при опред ел ен и и ф ункц ии п р ео б р азо ван и я те н зо д атч и ко в у ст а­
н авл и ваю т её для о д н о го д а тч и к а из и зго то вл ен н о й парти и . К акойто конкретный датчик мож ет иметь отличную от испы танного датчика
характеристику.
3. М етодические погреш ности. К ним относятся, наприм ер, иска­
ж ение температуры объекта изм ерения за сч ёт теплоп роводн ости д ат­
чи к а тем п е р ат у р ы , « са м о р а зо гр ев » т е р м о м е т р а со п р о т и в л ен и я « и з­
м ерительны м » током и др.
В н е к о т о р ы х с л у ч а я х ж е л а т е л ь н о зн а т ь р а з м е р с о с т а в л я ю щ е й
п огр еш н ости от влияния каж дой внеш ней («м еш аю щ ей » ) величины .
Это м ож ет бы ть использовано для принятия специальн ы х мер у м ен ь­
ш ения п огреш н остей .
О с н о в н ы е п р и ч и н ы в о зн и к н о в е н и я с л у ч а й н ы х п о г р е ш н о с т е й в
д а тч и к а х :
В о-п ервы х, погреш ности, связан ны е с изм ен ен и ям и со б ствен н ы х
п арам етров датчика. П рим ером м ож ет служ ить вариация п о рога чув­
стви тельн ости у потенц и ом етри ческого датчика. П ор о г чувст ви т ель­
но ст и д а т чи ка о п р ед ел яется как м ак си м ал ьн о е и зм ен ен и е и зм ер яе­
м ой в е л и ч и н ы , к о то р о е не в ы з ы в а е т о б н а р у ж и в а е м о г о и зм ен е н и я
вы х о д н о го си гн ала датч и ка. Е сли в датч и ке есть эл ем ен т с ги стерези сн ы м и свой ствам и , то вы ход н ой си гн ал за в и си т о т п р ед ш еству ю ­
щ их усл ови й эк сп л уатац и и .
В о -вторы х, п огр еш н о сти и з-за появл ен и я в и зм ер и тел ьн о й цепи
д а т ч и к о в п а р а з и т н ы х с и г н а л о в с л у ч а й н о г о х а р а к т е р а (т е п л о в ы е
ш умы , наводки от внеш них эл ек тр о м агн и тн ы х полей, врем ен ной
дрейф си гн алов и п арам етров эл ем ен тов датч и ка и др.).
Х аракт ерист ика преобразования датчика долж на определяться для
н еско л ьки х зн ач ен и й вх о д н о й вел и ч и н ы , чащ е всего для трех;
X = 0; X = 1/2; X = 1. Б олее д етал ьн ое представлени е х арактери сти ки
бы вает н еобходим о при нелинейном её характере.
1, 2. О классификации датчиков
21
___________________________________________
О пределение характеристик датчиков — важная область работы про­
ектировщ иков, изготовителей и пользователей датчиков. Эти хар акте­
р и сти ки ф орм ирую тся не только сразу после изготовления, но и в про­
ц ессе хранен ия, а т а к ж е исп ользовани я датчиков. Д ля вы полнения этой
работы необходим о создать сп ец и альн ое оборудование и разработать
м етодику его использования. М ож но использовать следую щ ее оборудо­
вание: генераторы входны х величин в заданны х динам ическом и ч ас­
тотном ди апазонах с задан ной точностью (создан и е источника входной
величины с п огреш н остью не более трети допусти м ой часто является
трудной задачей); генераторы влияю щ их величин (они м огут бы ть м е­
нее точны). Н аиболее к вал и ф ици рованн ы е работы по оп ределен и ю ха­
рактеристик датчиков вы полняю т в сп ец и ал ьн ы х л аборатори ях, нап ри ­
м ер, те п л о в ы х , о п т и ч е с к и х , а к у с т и ч е с к и х и др. Н еко то р ы е из них
отличаю тся соверш ен ством оснащ ени я и глубиной м етодического под­
хода к проводим ы м исследованиям .
О пыт экспериментальных исследований показывает, что для введения
поправок в результат преобразования полезно использовать формирование
единичных тарировочных сигналов заданного размера. Этот сигнал может
подаваться одновременно с входной величиной.
В аж ной х ар а к тер и с ти к о й явл яется врем я п р ео б р азо ван и я с и гн а­
ла в датчике {врем я р еа к ц и и ). По виду п ереходн ого процесса, возн и ­
к а ю щ е го при п о д а ч е н а в х о д д а т ч и к а с т у п е н ч а т о й и зв е с т н о й по
р азм еру вел и чи н ы , д атч и ки м ож но отн ести к ап ер и о д и ч ески м , д и ф ­
ф еренци рую щ им , и нтегрирую щ им или колебательны м звеньям ди н а­
м ической систем ы . Эти звенья м огут бы ть соединены п оследователь­
но, п а р а л л е л ь н о и в с т р е ч н о . П е р е х о д н ы е п р о ц е с с ы в а н а л о го в ы х
у стр о й ствах изучены подроб н о в работе [1.11]. Д и н ам и ка циф ровы х
у ст р о й ств о п р е д е л я е т с я вр е м е н ем , п о сл е д о в а те л ь н о ст ь ю и к о л и ч е ­
ством вы п ол н ен и я оп ерац и й п р ео б р азо ван и я си гн ала.
П ост оянн ы е вре.мени датч и ков различны . Н ап ри м ер, постоян н ая
времени вы пускаем ы х пром ы ш ленн остью терм орези сторов находится
в пределах от десяты х долей секунды до десятков секунд, терм опар —
о т д еся тк о в се к у н д до н ескол ьки х м инут, для р ад и ац и о н н ы х , яркостны х, ц ветовы х и ф о то эл ектр и ч еск и х п и р о м етр о в — п оряд ка д е с я ­
тых и соты х долей секунды . Для кратковрем енного прим енения м ож ­
но и зго то ви ть т е р м о п а р ы и т е р м о р е зи ст о р ы из то н к и х (д и ам етр о м
п о р яд ка 50 м км ) к ал и б р о в ан н ы х п р о в о л о к и д о б и ться у м ен ьш ен и я
постоянны х времени таких датчиков до десятков миллисекунд. Если же
^ _______________________ ГЛАВА I . ОСНОВНЫ Е ТЕРМИНЫ И ОП РЕДЕЛЕНИ Я
терм одатчики разм ещ ены в защ итной оболочке, то тогда постоянная вре­
мени их сущ ественно увеличивается.
Д и н а м и ч е ск и е сво й ст ва д атч и к о в за ч а сту ю о п р ед ел я ю т б ы стр о ­
д ей стви е всего и зм ери тельного устрой ства. И м ею тся м етоды коррек­
ции динам ических характери стик путем введения обратн ы х связей по
п рои звод ны м о т входной вели чины и других прием ов, позволяю щ их
на п о р яд ок ум ен ьш и ть и н ер ц и о н н о сть устрой ств.
С П И С О К Л И Т ЕРА ТУ РЫ К ГЛАВЕ I
1.1. Алейников А. Ф. , Ц апенко М. П. М ногофункциональны е датчи­
ки и И зм ерен ия, кон трол ь, ав то м ати зац и я. — 1990. — № 2 (74). —
С. 50— 57.
1.2. Цапенко М. П., Юшсторин И. Ф., Алейников А. Ф. Датчики (Фун­
кция восприятия входных величин и формирование измерительных сиг­
налов) и Датчики и системы. — 1999. — №1. — С. 17 — 18.
1.3. Д а т ч и к и и зм е р и т е л ь н ы х с и с т е м ; В 2 кн. Кн.1 / Ж . Аш ,
П. Андре, Ж. Бофрон и др.; Пер. с. франц.. — М.: Мир, 1992. — 480 с.
1.4. Пинчук Л. Е., Цапенко М. П.. Бионика и проблемы измерительной
техники // П роблемы электром етрии. — Н овосибирск: Наука, 1967. —
С. 1 2 7 — 147.
1.5. Интеллектуальные средства измерения / П од ред. Э. М. Цветко­
ва. — М.: РИЦ «Татьянин день», 1994. — 280 с.
1.6. К арандеев К. Б., О хот ская В.Н., П учкин Б. И., Ц апенко М. П.
Бион и чески е аспекты автом етри и И А втом етрия. — 1967. — № 5. —
С. 1 1 9 — 128.
1.7. Г лезер В. Д ., Ц ук ер м а н И. И. И нф орм ация и зр ен и е. — М.;
Л.: Наука, 1 9 6 1 . - 2 0 4 с.
1,8 Ф ет исов М.М. Н овы е автом ати ч ески е ком пен сац и о н н ы е п ри ­
боры для измерения неэлектрических величин. — Л .: И зд-во ЛД Н ТП ,
1 9 6 0 ,— 114 с.
1.9. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы: Струк­
туры и алгоритмы, системотехническое проектирование; Учеб. пособие. —
2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1985 — 439 с.
1.10. Лихциндер Б. Я., Ш ироков С. М.. М ногомерные измерительные
устройства. — М.: Энергия, 1978. — 312 с.
1.11. М акаров И. М., М енский Б. М. Л инейные автоматические сис­
темы. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: М аш иностроение, 1982. — 502 с.
ГЛАВА 2
О Д Н О М Е Р Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е Д А ТЧИ К И
2.1.
ВЛРПЛИ ГЫ П О С Т Р О Е Н И Я II М Е ТРО Л О ГИ Ч Е С К И Е ХАРАКТЕРИ СТИ КИ
В технике изм ерений ш ироко прим еняю тся м ногоступенчаты е датчи­
ки, т. е. датчики, принцип действия которых основан на использовании
нескольких ф изических эффектов.
О дной из при чи н со зд ан и я таки х д атч и к о в явл яется о тсу тстви е
ф и зи ч ески х эф ф е к т о в , п р е о б р а зу ю щ и х в хо д н ую в ел и ч и н у н е п о с р е д ­
ст венно в элект рический изм ерит ельны й сигнал. Ш ирокое р асп р о ст­
р анение получили двухступен чаты е датчики м ехан и чески х величин.
Д авлен и е, н ап ри м ер, м ож н о восп ри н ять м ем бр ан о й (п ервая ступ ен ь
п р ео б р азо в ан и я), д е ф о р м ац и я ко то р о й п р ео б р азу етс я в э л е к т р и ч е с ­
кую вели чи н у те н зо п р ео б р азо в ате л ем (вторая сту п ен ь п р ео б р азо в а­
ния). Н иж е при вод ятся илл ю страц и и исп ользован и я н ескольки х ф и­
зических эф ф ектов в датчиках.
На рис. 2.1 показан ф рагм ен т конструкции вы сокочувстви тельн о­
го ём костного датч и ка давлени я, п ред назначен н ого для работы в об­
ласти низких тем ператур [2.1]. П ринцип действия датчика следую щ ий.
И зм ер яем о е давл ен и е через к ап и л л яр / п одается в п о дм ем б р ан ную полость 10. Корпус 4 и м ем брана 3 изготовлены из бериллиевой
бр о н зы . К вы ступ у м ем бран ы ч ер ез и зо л и р у ю щ у ю п р о к л ад к у п р и ­
креплена подвиж ная п л астина 8 ём костного п реобразователя. Н еп о д ­
виж ная пластина 7 вгоняется в основан ие 5 в виде конусной пробки,
о б ер н у то й и зо л и р у ю щ ей п л ён кой б. Т аки м о б р а зо м , о бе п ласти н ы
ем к о стн ого п р ео б р азо вател я и золи рован ы от корп уса. С оп рягаю щ и е
п лоскости к орп уса п о сн о в ан и я обр аб аты в аю тся со в м естн о с э л ек т­
24
ГЛАВА 2. О Д Н О М ЕР Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДАТЧИКИ
родам и ём костного преобразователя после закрепления электродов на
корпусе и в основании. Благодаря такой обработке и изолирую щ ей про­
кладке 9 устанавливается зазор м еж ду электродам и ём костного преобра­
зователя около 1 5 ...2 0 мкм. Ёмкость изготовленного преобразователя рав­
на
30
пФ .
П орог
чувствительности
составил
10
м.
1
3
Рис. 2.1. Двухступенчатый Емкостный датчик давления:
1 — к ап и л л я р в п р о б к е 2 , 3 — м е м б р а н а к о р п у са 4 , 3 — о с н о в а н и е . 6 —
и з о л и р у ю щ а я п л ё н к а, 7 — к о н у с (о б к л а д к а к о н д е н с а т о р а ); Я — п л а с т и н а
(о б к л а д к а к о н д е н с а т о р а ); 9 — п р о к л а д к а ; 10 — п о д м е м б р а н н а я к ам ера
Д ругой причиной и сп ользован и я м н огоступ ен ч аты х датчиков
является р а сш и р ен и е ф ун к ц и о н а ль н ы х возм о ж но ст ей тради ц и о н н ы х
и х о р о ш о себя зар ек о м е н д о в а в ш и х в и зм ер и тел ьн о й практике одно­
ст упенчат ы х дат чиков. Н априм ер, ртутны е стеклянны е терм ом етры
расш ирения до сих пор ш ироко использую тся, в частности, в хим ичес­
кой п р о м ы ш л ен н о сти . П р о с т о та их р еа л и зац и и , ш и р о ки й д и ап азо н
изм ерения тем ператур ( -5 5 ...+ 7 0 0 °С), отсутствие и сточн и ка вн еш н е­
го питания, равн ом ерн ость ш калы изм ерения, хим ическая инертность
стеклян н ого корпуса — все эти п реи м ущ ества обесп еч и в аю т « долго­
ж ительство» тер м о м етр о в расш и рен и я [2.2].
К о дн ом у из н едостатков таки х терм ом етров сл еду ет отн ести о т­
су тстви е вы ход н ого э л ек тр и ч ес к о го си гн ал а и как сл ед стви е н ево з­
м ож н ость д и станционной передачи показаний. На рис 2.2 п ри веден а
к о н стр у кц и я д в у х ст у п е н ч а то го т е р м о м е т р а расш и р ен и я, л и ш ен н о го
у к аза н н о го вы ш е н ед остатк а.
2, 1. Варианты построения
25
П ринцип дей стви я такого датчика
очень прост. При перем ещ ении ртути по
капилляру (первая ступень) изменяется
индуктивность М обмотки 2 (вторая сту­
-0
пень), к которой подключен источник пе­
р ем енного напряж ения (индукти вн ы й
преобразователь).
Т р етьей при чи н ой и сп ол ьзован и я
м н о гоступ ен ч аты х д атч и к о в является
возм ож н ость м и н и м а льны х изм енений
дат чика определённой величины с целью
его пргш енения при изм ерении д ругой
входной величины.
Рис. 2.2. Двухступенчатый датчик
температуры:
При и зм ерении опти ч еского излу­
I с т ек л я н н ы й р тутн ы й т ер м о м ет р ,
чен ия и сп о л ь зу ю тся те р м о эл е м е н ты ,
2 — обм отка индуктивности
о д н а из к о н с тр у к ц и й к о т о р ы х п о к а ­
зан а на рис. 2.3. П ринц ип д ей стви я таки х м но го сту п ен ч аты х д а тч и ­
ков основан на преобразовании энергии оптического излучения в теп­
ловую энергию .
Д иск п окры т слоем черни, п огло­
щ аю щ ей оптическое излучение. К оэф ­
1
ф ициент поглощ ения чернёной повер­
хности приблизительно равен единице,
если слой черни имеет толщ ину, боль­
3
ш ую м ак си м ал ьн ой длины волны из­
лучения. Для ультраф иолетового и инф р акрасн ого и злучения то л щ и н а черЭДС ^
ни 3 0 ...4 0 мкм. Д иск нагревается, и вы2.^, Двухступенчатый датчик
ходной сигнал терм опары (ЭД С) несет
оптического излучения:
и й д и с к, 2 — сл о й черн и ,
информ ацию об интегральной м ощ н о­ / —3 м—е тадлилфифч ееск
ренц иальн ая терм оп ара
сти падаю щ его излучения. Э та ЭДС не
зависит от спектрального состава излучения [2.3]. Для уменьш ения кон­
вективны х потерь элем енты датчика п ом ещ аю т в стеклянны й баллон,
в котором создаю т вакуум (на рис. 2.3 не показан). Баллон и м еет сп е­
ц и альны е окна из к варц евого стекла, которое п р о зр ачн о для у л ьтр а­
ф иолетового и инф ракрасного излучения.
Четвёртая причина увеличения количества используем ы х ф изических яв­
лений в датчиках — это повы ш ение т ребований к усло ви ям их эксплуа­
т ации.
26
ГЛАВА 2. ОД Н О М ЕР Н Ы Е М Н О Г О СТ У П Е Н Ч А Т Ы Е ДА ТЧИКИ
П ри измерении влаж ности газов ш ироко использую тся алю м иниево­
оксидны е преобразователи (ём костны е датчики). Д атчик состои т из алю ­
м иниевой подлож ки / (рис. 2.4), на которой электрохим ическим оки сле­
нием сф орм ирована окись алю м иния (А 1,0,). Н а эту окись вакуумным
напы лением нанесены «прозрачные» для молекул воды тонкие слои золо­
та и серебра 3. В рассм атриваемом датчике, несмотря на каж ущ ую ся про­
стоту его конструкции, использую тся два ф изических явления (сорбция и
электропроводность), т. е. он является двухступенчатым.
-0
АС
- 0
Рис. 2.4. Д в ухступ ен ч аты й Емкостный датчик влаж ности гаю в:
I — п о д л о ж к а. 2 — о к и с ь ал ю м и н и я; .? — эл ек тр о д
Т акой датчик, вы пускаем ы й ф ирм ой Тез1:о1егт (Герм ания), позво­
ляет изм ерять влаж ность воздуха в диапазоне от 2 до 90 %, им еет по­
греш ность 2 % и постоянное время реакции около 1 с [2.4]. М етрологи­
ч е ск и е х ар а к тер и с ти к и д а тч и к а д о в о л ьн о вы соки, ес л и у ч е ст ь , что
о теч еств ен н ы й этал он ны й ген ер ато р влаж н ости в о зд у х а «Р одн и к-2»
им еет основную погреш ность преобразования, равную I % [2.5]. Этот
датчик предназначен для использования при температурах от О до 40 °С.
Н а ри с 2.5 приведена конструкция четы рёхступенчатого эл ек тр о ­
л и ти ч еск о го д а тч и к а вл аж н о сти , п р и го д н о го для э к сп л у атац и и при
тем п ературе окруж аю щ ей среды от - 5 0 до +100 °С [2.6, 2.7]. Д атчик
состои т из изоляционной трубки — корп уса /, которы й оберн ут тка­
нью 3, п р о п и тан н ой хл о р и сты м л и ти ем . Н а корпус такж е н ам отан а
о б м о тк а н агревателя 4. В н утрь корп уса пом ещ ён датчи к те м п е р ату ­
ры — терм ом етр сопротивления 2. В данном случае использую тся два
сво й ства х л ори стого лития. В о-п ервы х, он является гигроскопичны м
вещ еством , поглощ аю щ им из воздуха м олекулы воды (явление со р б ­
ции). Во-вторых, возникаю щ ий при этом водный раствор хлористого ли­
2. 1. Варианты построения
тия представляет собой электролит, способны й проводить электрический
ток (явление электропроводности ж идких сред). П ри подклю чении н а г р е ­
вателя 4 к источнику перем енного тока 5 возникает ток, ведущ ий к нагре­
ву всего датчика (эф ф ект Джоуля). П роводи м ость обм отки увеличивает­
ся, и влага испаряется. В итоге устанавливается равновесное состояние
между ф азой водяного пара и жидкой ф азой. Тем пература, устанавливаю ­
щаяся автом атически в этом равновесном состоянии, является м ерой кон­
центрации водяных паров в окруж аю щ ей среде.
Рис. 2.5. Четырехступенчатый датчик влажности воздуха;
/ — к о р п у с из д и э л е к т р и к а , 2 — п л а т и н о в ы й т е р м о м е т р со п р о т и в л е н и я ; 3 —
ст е к л о в о л о к н о , п р о п и т а н н о е х л о р и с т ы м л и т и е м ; 4 — н а гр ев ат ел ь; 5 — вы в о­
ды и с т о ч н и к а п е р е м е н н о г о т о к а ; б — в ы в о д ы т е р м о м е т р а со п р о т и в л е н и я
М н огоступенчаты е датчики и спользую тся при проведен и и специ­
альны х изм ерений, наприм ер при изм ерении энергии м икрочастиц, где
требуется вы сокая чувст вит ельност ь. Н а рис. 2 ,6 показана уп рощ ён ­
ная к он струкц и я сц и н т и л л я ц и о н н о го д е те к т о р а яд ер н о го и злучен и я
(у-частиц ). Ч у в ств и тел ь н ы м эл ем ен т о м та к о го д а тч и к а явл яется в е ­
щ ество /, к оторое п озволяет п реоб разовать эн ерги ю попадаю щ ей ак­
тивной части цы в кванты света (явл ен и е ф луоресц ен ц и и ).
28
ГЛАВА 2. ОД Н О М ЕР Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДАТЧИКИ
Рис. 2.6. Четырёхступенчатый датчик радиации:
/ — с ц и н т и л л я т о р (N а^ ); 2 — ф о то к ат о д , 3 — д и н о д , 4 — ан од .
5 — и сточн и к п о ст о я н н о го н апряж ени я
Гамм а-частицы детектирую тся фотоумножителем по эффекту сцин­
тилляции, которые вы зы ваю тся электронам и [2.6]. В фотоумножителях
для усиления первичного фототока пом им о ф отокатода 2 и анода 4 ис­
пользуются вторичные катоды (диноды 3) и система фокусировки элект­
ронного пучка. Высокоэнергетичные электроны, бомбардируя поверхность
фотокатода, выбивают электроны из его поверхности (явление вторичной
электронной эмиссии). Эти электроны фокусируются электростатическим
полем на первый из последовательно расположенных электродов — динодов, покрытых материалом, для которых вторичная электронная эмиссия
значительна (эффект Комптона). П отенциалы к последовательно располо­
женным динодам подводятся от резистивного м оста (подклю ченного к ис­
точнику постоянного напряжения 5) и непрерывно возрастаю т от динода к
диноду таким образом, что вторичные электроны, вылетевш ие из к-го ди­
нода, фокусируются на к+1 диноде. П ри этом каждый из электронов выби­
вает несколько вторичных электронов и осущ ествляется процесс их «умно­
2. 1. Варианты построения
29
жения». Амплитуда выходного сигнала пропорциональна теряемой энер­
гии частицы и зависит от ее природы.
М н о г о с т у п е н ч а т ы е д а тч и к и п р и м ен яю тся тогд а, к о гд а по у с л о ­
виям измерительной задачи т ребует ся осущ ест вит ь бесконт акт ны й
метод измерения.
Н апример, тепловой датчик м ассового расхода ж идкости (рис. 2.7)
со стои т из то н к о стен н о й труб ки / , н а поверх н о сть которой н ам о та­
на обм отка 2 нагревателя [2.6]. П ри п одклю чен и и о бм отки к и сточ­
нику то к а и п р о и сх о д и т ее н агрев (эф ф ек т Д ж о у л я). С п р о ти в о п о ­
ло ж н ы х о т н агр евател я двух сто р о н си м м етр и ч н о у стан о вл ен ы два
чувстви тельн ы х эл ем ен та тем п ературы 3, 4, восп ри н и м аю щ и х со о т­
ветственно тем пературу Д выш е по потоку и температуру р ниже по
потоку нагревателя. К огда расход ж идкости равен нулю, нагрев си м ­
м етри чен и Т = Т .. П ри наличии р ас х о д а те м п ер ату р а Д у м ен ь ш а ет­
ся, а те м п е р ат у р а Т, у ве л и ч и ва етс я. Р азн ость эти х те м п ер ату р п р о ­
п о р ц и о н ал ь н а м ассо во м у расходу.
Рис. 2.7. Двухступенчатый датчик массового расхода
жидкостей:
/ — труб ка; 2 — о б м о т к а н а ф е в а т е л я ; 3 . 4 — ч у в ст в и т ел ь н ы е э л ем ен ты
тем п ер ату р ы , напри м ер, тер м о м етр ы соп р о ти вл ен и я
в м н о го с ту п ен ч ат ы х д а тч и к а х и м еется в о зм о ж н о с ть введ ен и я в
конст рукцию элем ент ов ком пенсации (коррекции) его погреш ност и. Н а
рис. 2.8 п оказана конструкци я тр ёхступ ен чато го датчи ка давлени я, в
ко то р о м к о м п ен сац и я его д о п о л н и тел ьн ы х п о гр еш н о стей п р о и зв о ­
дится с пом ощ ью п роцедуры сравнения входной величины с мерой.
Д атчи к р аб о та ет сл едую щ и м об р азо м . И зм ер яем о е д авл ен и е че­
рез м ем брану 1 и си л оперед аю щ и й эл ем ен т 8 вы зы вает деф орм ац и ю
чувствительного элем ента, а следовательно, сопротивления тензорезис-
30
ГЛАВА 2. ОД Н О М ЕР Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е Д А ТЧ ИКИ
торов м оста 2. С другой стороны , на электроды 4 узла принудительны х
эталонны х деф орм аций 6, состоящ его из пъезоэлемента 7, помещенного
внутрь чувствительного элемента 3, подается известное эталонное электри­
ческое
н ап р я ж е н и е
вы зы ваю щ ее
деф орм ацию
Рис. 2.8. Трёхступенчатый датчик давления:
/ — м е м б р ан а, 2 — т е н з о р е з и с т и в н ы й м о с т . 3 — у п р у ги й ч у в с т в и т е л ь н ы й
ц ил ин д р ич ески й эл ем ен т, 4 — эл ек тр о д ы ; 3 — узел п о дж ати я, 6 — узел
со зд ан и я п р и н уди тельн ы х этал о н н ы х д еф о р м а ц и й , 7 — п ъ е зо эл ем ен т.
Н — с и л о п е р ед аю ш и й э л ем е н т
чувстви тельн ого эл ем ента 3 (обратн ы й п ъезоэф ф ект). Т ак как п ъ езо­
эл ем ен т ж естк о связан с уп руги м ч у в стви тельн ы м элем ен то м 3, эта
д е ф о р м ац и я в ы зы в а ет со о т в ет ст в у ю щ у ю д е ф о р м ац и ю ч у в с т в и т е л ь ­
ного эл ем ен та и изм енение соп роти вл ен и й тен зо р ези с ти вн о го м оста
2. Р азм ер деф орм ации узла 6 является эталонной величиной («мерой»).
Т ак и м о б р а зо м , о с у щ е с т в л я е т с я к о м п е н с а ц и я д о п о л н и т е л ь н ы х
погреш н остей датч и ка давл ен и я, нап ри м ер, о т влияния тем п ературы
окруж аю щ ей среды . У зел эталонны х деф орм ац ий м ож ет бы ть вы пол­
нен в ви де м агн и то ст р и к ц и о н н о го п р ео б р азо в ат ел я , те р м о д е ф о р м а ­
ци о н н ого п р ео б р азо вател я и др. Р азм ер этал о н н ы х деф о р м ац и й , со ­
зд аваем ы й узлом 6, м о ж ет зад аваться д и ск р етн о или н еп р ер ы вн о , в
2. 1. Метрологические характеристики__________________________________________ 31^
зависим ости от прим еняем ого м етода измерений. В случае применения
нулевого метода измерений происходит процесс постоянного сравнения
измеряемой величины с «мерой». Компенсация воздействия влияющн.ч
вели^ 1ин оказы вается более полной [2.8].
М Е Т Р О . Ю Г И Ч Г .Г К И Е Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Х Д А Т Ч И К О В
М н о го сту п ен ч аты е датч и ки в б ол ьш и н ств е случаев не уступ аю т
по своим м етр о л о ги ч е ск и м х ар ак тер и сти к ам о д н о сту п ен чаты м д а т­
чи кам . На к ач ест в ен н ы е св о й с т в а д а тч и к а как с р е д с т в а и зм ер ен и й
влияю т эф ф ект ивност ь и обоснованност ь вы бора ф изического явления
при реал и зац и и д а тч и к а к онкретной вели чин , а такж е степ ен ь чи с­
тоты м ат ериала чувствительного элем ента и наличие у него т ребу­
емых свойст в.
Н ап р и м ер , п р ед стави м , что по у сл о в и ям и зм ер и тел ьн о й зад ач и
н еоб ходи м о и зм ери ть те м п е р ат у р у в об л асти н и зких тем п ер ату р от
70 до 273 К с м аксим ально возможной точностью . П ри использовании
одноступенчатого датчика — терм опары (эф ф ект Зеебека) в заданном
диапазоне обеспечивается погреш ность порядка 0 ,5 ... 1 % [2.9]. Это свя­
зано с низкой чувствительностью терм опар, с н еобходим остью о б е с­
печения стабилизации или ком пенсации тем пературы холодны х спаев
терм оп ары и другим и причинам и. В случае вы б ора те р м о п р ео б р азо ­
вателя, основанного на ядерном квадрупольном резонансе (ЯКР), до­
стигается более вы сокая точность в заданном диапазоне измерения.
П ринцип действия этой изм ерительной установки основан на двух
ф изических явлениях: прецессии атом н ы х ядер, обладаю щ и х квадрупольны м м ом ен том , и явлени и р езо н ан сн о го п о глощ ен и я и злучения
вещ еством [2.10]. П ри этом и сп ол ьзуется за ви си м о сть частоты по­
глощения вы сокочастотны х колебаний в некоторы х вещ ествах от тем ­
п ературы (см . рис. 2 .9 ). Н ап ри м ер, ч а сто та п о гл о щ ен и я х л о р ата ка­
лия (К С 10,) при О °С составляет 28 213 421 ±2 Гц.
Д атчик тем п ературы состоит из цилиндра 1, в котором р азм ещ е­
на к ату ш к а и н д у к ти в н о сти 2 г е н е р а т о р а в ы с о к о ч а с т о т н ы х к о л е б а ­
н ий, о к р у ж е н н а я т е р м о ч у в с т в и т е л ь н о й с о л ь ю 3. П о л о с т ь д а т ч и к а
вакуум ируется и зап олн яется инертн ы м газом (гели ем ). С п ом ощ ью
и зм ер и те л ь н о й у с т а н о в к и к ату ш к а и н д у к ти в н о сти п о д к л ю ч а ет ся к
в ы с о к о ч а с т о т н о м у Г С -г е н е р а т о р у и п р о и зв о д и т с я ав т о м а т и ч е с к и й
поиск и настрой ка на частоту Я К Р. У становки , в которы х и сп ользу­
ется ЯК Р одних и тех ж е ядер в образцах идентичного состава, им ею т
32
ГЛАВА 2. О Д Н О М ЕР Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДА ТЧИКИ
одинаковую и стабильную зави си м ость частоты Я К Р от тем пературы .
Д атчик с чувствительны м элем ентом из хлората калия обеспечивает из­
м ерение температуры в диапазоне от 77 до 303 К с абсолю тной погреш ­
ностью ± 0 ,0 0 5 ...0 ,0 1 5 К [2.10].
И дентичность и стаб и ль­
ность градуи ровочн ы х х ар ак те­
ри стик Я К Р -датч и ко в в со ч ет а­
нии с ч а ст о тн ы м вы х о д о м п о ­
з в о л я е т и с п о л ь з о в а т ь их при
дистанционны х
и зм ерен и ях
тем п ературы в м етеорологи и ,
о к еа н о гр а ф и и и д р у ги х о б л а с ­
тях. К р о м е то го , Я К Р -д а тч и к и
прим ен яю тся при создания э та ­
л о н о в те м п е р а т у р ы , н ап р и м ер
при в о с п р о и з в е д е н и и п р а к т и ­
ч е с к о й т е м п е р а т у р н о й ш калы
[2 . 10].
С л едует у честь, что в м но­
го сту п ен ч аты х датч и ках ф и зи ­
ческие эф ф екты не обязательно
образую т только лиш ь последо­
вательную цепь при п р ео б р азо ­
вании изм ерительны х сигналов.
О н и м о гу т б ы ть и сп о л ьзо ван ы
Рис. 2.9. Двухступенчатый датчик
п а р а ллельно и сп особствовать
температуры:
повы ш ению качественны х ха­
/ — ц и л и н д р , 2 — к ат у ш к а и н д у к т и в н о с т и , 3 — с о л ь
рактери стик датчика. Н апри­
(К С Ю ,), 7 — труб ка; 3 — э л е к т р и ч е с к и й в ы в о д к агу ш ки 2 , 6 — и зо л яц и о н н ы е втулки
м ер, при и зм ерен и и влаж ности
га зо в р а с п р о с т р а н е н ы к о н д е н с а ц и о н н ы е д а т ч и к и (д а т ч и к и то ч к и
« р о сы » ). П р и н ц и п д ей стви я та к о го м н о го с ту п е н ч а т о го д а тч и к а о с ­
нован на следую щ ем (рис. 2.10). П ри равн ом ерн ом охлаж ден и и не­
ко то р о го об ъ ём а газа парц и ал ьн ое давл ени е со ставл яю щ и х газового
со става и вод ян ого п ара о стается постоянн ы м до м о м ен та н асы щ е­
ния (конден сация пара). П ри этом сущ ествует зави си м о сть давления
насы щ ен н ого п ара над плоской п оверхн остью воды от тем п ературы
(п р и н ц и п Р ен ь о ). О п р ед ел ен и е п а р ц и а л ь н о го д а в л е н и я (вл аж н о сти
газа) сводится к и зм ерени ю тем пературы насы щ ения.
2- I . Метрологические характеристики
33
О сновны ми элем ентам и такого датчика являю тся зеркало 3, система
регулирования его тем пературы , состоящ ая из охладителя 10 и нагревате­
ля 9, и чувствительны й элем ент температуры 8. И сточник света 7 освещ а­
ет м еталлическое зеркало таким образом , что при отсутствии конденсата
влаги на нём свет не попадает на ф отоприём ник 5. Затем зеркало охлаж ­
дается (эф ф ект П ельтье) вплоть до появления росы . П ри появлении росы
или инея рассеянны й свет попадает на ф отоприём ник и зеркало начинает
подогреваться с помощ ью нагревателя сопротивления 9 (эф ф ект Д жоу­
ля). При повы ш ении температуры роса и соответственно рассеянны й свет
исчезаю т и вновь производится охлаж дение зеркала. Т ерм орезистор 8,
закрепленны й на обратной стороне зеркала, изм еряет температуру при
появлении росы (терм оэлектрическая зависим ость), по которой судят о
влаж ности газа.
Р и с . 2 .1 0 . П яти ступ ен ч аты й датчик влажности газов;
/ — о сн о в а н и е,
— корпус. .? - - зер ка л о , 4 — о к н о , 5 — ф о то р е зи ст о р ; б — о св ети тел ь н ы й
б л ок, ' - и с т о ч н и к и зл у ч е н и я. А — т ер м о р е зи ст о р ; У — н агр ев ат ел ь с о п р о т и в л е н и я , 10 —
о х л а д и т е л ь (э л е м е н т П е л ьт ье )
34
ГЛАВА 2. ОД Н О М ЕР Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДАТЧИКИ
оо
о
т
и
и
и
о
7
О)
^5
-а
й
т
5
с
с
I
Е
о
X
г
X
X
&
X
о.
о.
и
сЗ
ы.
I-
С I:
Н
35
I§
= М
=
Ж
9
§
I5
а
5 ^
8
I 5
2. 1. Метпологические х а р а к т е р и с т ш ^
35
Н есм отря на больш ое количество эф ф ектов, используемых в принцк
пе действия рассм атриваем ого датчика, его м етрологические характерис­
тики превы ш аю т характеристики более просты х двухступенчаты х датчи ­
ков. В табл. 2.1 сведены сравнительные характеристики основны х датчиков
измерения влаж ности газов, доказы ваю щ ие данное утверж дение.
Следует зам етить, что и при последоват ельном сочет ании ф и зи чес­
ких эф ф ектов в м ногоступенчаты х датчиках в ряд е случаев удаётся д о с­
тигнуть прием лем ы х м етрологических характеристик датчиков конкрет­
ны х вели чи н . З а д а ч а н ах о ж д ен и я таки х со ч етан и й о тн о с и тся к
оптим изационны м задачам. В качестве прим ера на ри с 2.11 схематично
приведена структура конструкции трёхступенчатого датчика сверхнизких
температур [2.10].
Рис. 2 .1 1 . Т рехступ ен чаты й датчи к температуры :
/ — с в ер х п р о в о д я щ ее к о л ь ц о , 2 — рези с ти вн ы й у ч а ст о к , 3 - - п ереход
Д ж о з е ф с о н а , 7 — /,Г -к о н т у р
в этом датч и ке р еал и зован терм ош ум овой м ето д изм ерен и я те м ­
пературы . Ч увствительны м эл ем ентом датч и ка является резистивны й
переход 2 св ер х п р о во д ящ его кольц а 1, п ереход Д ж о зеф со н а 3 кото­
рого индуктивно связан с АС-контуром. Р езистивны й участок 2 с сопро­
тивлением Я = 10 ’ Ом служ ит источником тепловы х ш умов (ш умов Н ай­
квиста). Так как напряж ение ш умов м ож ет приним ать значение, близкое к
нулю, то через резистор Я пропускаю т ток см ещ ения I = 10 ’ А. Таким
образом, к переходу 3 прилож ена сум м а напряж ения теплового ш ума и
56
ГЛАВА 2. ОД Н О М ЕР Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДА ТЧИКИ
н ачального напряж ения. В соответствии с н естац и он арн ы м эффектом
Д ж озеф сона прилож енное напряж ение вы зы вает через переход 2 пере­
менный ток, который модулирует высокочастотное напряжение на ГС-контуре. В данном случае переход Д ж озеф сона используется как преобразо­
в а тел ь н ап р я ж е н и е — ч а с т о т а . Н а п р я ж е н и е с к о н ту р а п о д а е т с я в
дальнейш ем на усилитель вы сокой частоты. Затем вы деляется сигнал пе­
рем енного тока, флуктуации частоты которого несут информ ацию об из­
м еряем ой температуре. П рактически реализованны е средства измерений
с таким датчиком позволяют измерять температуру в диапазоне от 10 мК до
10 К с погреш ностью около 1 %.
В заклю чение ум естно заметить, что при измерении многих физичес­
ких величин, таких как давление, влажность газов, концентрация различ­
ных вещ еств, широко используются двух- трёх-ступенчатые датчики (из-за
отсутствия подходящих единичных физических эффектов) для реализации
принципа действия соответствую щ его одноступенчатого датчика, с требуе­
мыми м етрологическими характеристиками.
2.2.
АВТО М АТИ ЗАЦ И Я П ОИ СКА НАБОРА П О СЛ Е ДО ВА Т ЕЛ ЬН О С ТИ
Ф И ЗИ Ч Е С К И Х Я В Л Е Н И Й
2 .2 .1 .0 С Н 0 В Н Ы Е П О Л О Ж Е Н И Я
Ц ел есо о б р а зн о ст ь ав то м ати за ц и и п ои ск а н аб о р а ф и зи ч еск и х ве­
личин в м ногоступенчатом датчике определяется, во-первы х, тем, что
ко ли ч ество ф и зи ч ески х эф ф е к т о в , п ро явл яю щ и х ся в р азн о о б р азн ы х
вещ ествах, достигает нескольких ты сяч [2.11— 2.12]. В о-вторы х, тем,
что количество сочетаний сигналов различного вида энергий, вещ еств,
у ч а ст в у ю щ и х в а л г о р и т м а х в о с п р и я т и я , а та к ж е в х о д н ы х вел и чи н
астрон ом ически велико [2.13, 2.14].
Д ля ав том ати зац и и п роц есса п о и ск а набора ф и зи ч ески х явлений
н еобходим ы ф орм ал и зац и я п оставл ен н ой зад ачи и р азр аб о тк а м о д е­
л и , о п и с ы в а ю щ е й п р е о б р а з о в а н и я с и г н а л о в в б у д у щ ей с т р у к т у р е
м н о го с т у п е н ч а т о го д а тч и к а . П р и о п и са н и и п р е о б р а з о в а н и й с и г н а ­
л ов в датчи ке такж е н еоб ходим едины й м атем атически й , ф изический
и ли д р у го й о б о б щ а ю щ и й а п п а р а т , к о т о р ы й б ы л бы н е за в и с и м о т
ф и зи ч еской природы входн ы х величин и преоб р азо ван и й .
2 2
*°--'^чят1п а 11ия поиска набора последовательности физических явлений
37
И звестен энергои пф орм аци онны й м етод ан ал и за и синтеза чувстви ­
тельны х элем ентов датчиков [2.15— 2.16]. Этот м етод м ож ет бы ть и с­
пользован при поиске наб ора ф и зи ч ески х эф ф ектов м ногоступ ен чаты х
датчиков некоторы х величин. Д ля поиска п ри нцип ов действия датчиков
предложены инф орм ационны е м одели цепей различной ф изической при­
роды: электрической; м агнитной; м еханической (линейной); м ех ан и чес­
кой (угловой); тепловой; гидравлической и влагоперен осн ой . В качестве
обобщ енны х величии и их парам етров для этих цепей использую тся: «воз­
д ей ст вие: р еа к ц и я : заряд ; им пульс; со п р о ти вл ен и е (п р о во д и м о сть);
ём кость (ж есткость) и и н дуктивность (дедукти вность)». А н али ти чески
описаны критерии, вы раж аю щ ие связь м еж ду величинам и и п ар ам етр а­
ми: энергетический, стати сти ч ески й , ди н ам и ч ески й , п арам етри чески й
и распределённы й (для «систем с сосред оточ ен н ы м и и с изм ен яю щ и м и ­
ся во времени и п р остран стве парам етрам и»). Д ля характери сти ки ф и ­
зических явлений им еется восем ь типов эл ем ентарн ы х звеньев « п ара­
м етрических структурны х схем». М етод п озволяет со вм ести ть п роцеду­
ры авто.м атического в ы б о р а п р и н ц и п о в д е й ст в и я и п р о ек ти р о в ан и я
датчика, он осн ащ ён средствам и инф орм аци онной поддерж ки п роведе­
ния всех необходим ы х раб от по разработке датчиков. О днако исп ользо­
вание этого м етода при поиске принципов действия датчиков затрудне­
но по следую щ им при чин ам . В о-первы х, п редлож енны е величины и п а­
р ам етры п ри н яты у с л о в н о , вы б ор их н о м ен к л а ту р ы не о б о сн о ван .
Во-вторых, отсутствую т ан ал и ти ческ и е вы раж ения для некоторы х ве­
личин и парам етров рассм атри ваем ы х «цепей», наприм ер «и н дукти вн о­
сти для тепловой цепи и цепи вл агоперен оса» и др. В -третьих, возн и ка­
ет н еобходим ость разработки анал огов величин и п арам етров для «це­
пей» оптической, хим и ческой, акусти ческой и ради ац и он н ой природы ,
как это и у тверж д аю т авторы . Д ействительн о, хи м и ческую «цепь» —
энергию нужно рассм атри вать как совокуп н ость м еханической, теп л о ­
вой и электрической энергии и оп ределить степень их «участия» в этой
«цепи». В -четверты х, в этом м етоде используется только эн ер гети ч ес­
кий анализ и критерием оценки эф ф екти вн ости прин ц и п а действия дат­
чика служ ит «совокупность эксплуатационны х характеристик» сущ еству­
ющ их датчиков. В данном случае затруднительно найти новы й и эф ф ек­
ти в н ы й п р и н ц и п д е й с т в и я . К р о м е т о г о , э к с п л у а т а ц и о н н ы е
характеристи ки датчика зави сят не только от вы бран н ой совокупности
(физических явлений, но и от п рим еняем ы х м атериалов чувствительны х
38
ГЛАВА 2. О Д Н О М Е Р Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДАТЧИКИ
элем ен тов и других причин. В -пяты х, рассм атри ваем ы й метод не м ож ет
бы ть использован при поиске принципов действия, наприм ер, м ногом ер­
ных многоступенчаты х датчиков.
Д ля поиска принципов д ей стви я м ногоступ ен чаты х датчиков пред­
ло ж ен «вещ ествен н о-эн ергети чески й » м етод опи сан и я п роц ессо в, про­
исходящ их в датчике [2.17, 2.18]. М ож но утверж дать, что о сн о в о й ан а­
логовой инф орм ационно-изм ерительной техники являю тся не только тр а­
д и ц и о н н о р а с с м а т р и в а е м ы е э н е р г е т и ч е с к и е п р е о б р а з о в а н и я , но и
п реобразования вещ ества, происходящ ие в и зм ери тельн ы х элем ентах.
П од преобразованиям и вещ ества поним ается изм енение свойств чувстви­
тельн ы х элем ентов датчиков. О б щ еи звестн о, что эн ерги я х арактери зует
общ ую количественную м еру движ ен ия и взаи м од ей стви я всех видов
м атерии. В ещ ество — это качествен ная сущ н ость ви да м атерии, и его
со сто ян и е м ож но п ред стави ть экви вален тн ой энергией. Ц ел есо о б р аз­
н ость рассм отрени я эн ергети чески х п реоб разован и й о бусловлен а взаи ­
м о связью эн ергии си гн ал а с изм ерительной инф орм ацией. Н о и п рео б­
разования энергии вне вещ ества не происходит. П оэтом у о чеви дн а не­
обходим ость ц елен ап равлен н ого и совм естного рассм отрен и я
характерны х особ ен н остей п реоб разований эн ерги и и вещ ества, п рои с­
ходящ их при ф орм ирован ии и зм ери тельн ы х сигналов.
Д ля создания единого подхода разработан специальны й классиф ика­
ционны й перечень больш инства изм еряемы х величин [2.19]. О ни услов­
но разбиты на величины с «вещ ественны м и» и «энергетическим и» свой ­
ствам и . П од таки м и св о й ств ам и п о н и м аю тс я п р и зн аки и зм ер яем ы х
величин, составляю щ ие их отличительную особенн ость по отнош ению к
вещ еству или энергии. Н априм ер, электрические величины, такие как ток,
заряд, обладаю т «энергетическим и» свойствам и, а величины типа соп ро­
тивления, ём кости — «вещ ественны м и». К ром е того, не ограничивается
количество ф изических явлений в синтезируемом п р и н ц и п е действия, как
это традиционно принято.
О сн овн ы е полож ения м етод и ки п оиска структу р п рео б р азо ван и й
в е щ е с т в а и э н е р г и и и з м е р и т е л ь н ы х с и г н а л о в с л е д у ю щ и е [2 .1 7 ]:
а) вы деляю тся м еханический, тепловой, акустический, электрический,
м агн и тн ы й , о п ти ч ески й , и о н и зац и о н н ы й и х и м и ч еск и й виды э н ер ­
гии; б ) сч и тается, что сф о р м и р о в а н н ы е сигналы о тр аж аю т п ри чи н ­
н о -сл ед ст в ен н ы е связи п р о тек аю щ и х п р ео б р азо в ан и й ; в) п о к азы в а­
ется, что на основе анализа этих связей м ож но о босн овать о б о б щ ен ­
т 2 А в т о м а т и з а ц и я поиска н а б о р а последовательности физических явлений
39
ные физические величины и построить эквивалентны е м атематические
уравнения, необходимые при описании преобразований изм ерительны х
сигналов, различных по ф изической природе; г) учиты вается, что методы
измерения лю бы х ф изических величин п остроен ы на общ их законом ер­
ностях преобразований видов энергии и свойств вещ еств; д) принимает­
ся, что в законом ерностях преобразований в вещ естве видов энергии
проявляются свойства однородности и изотропности преобразований. При
этом под однородностью преобразований понимается равная возможность
участия всех видов энергии и свойств вещ еств при построении структу­
ры преобразований лю бой ф изической величины, а под изотропностью
— равноправие всех комбинаций (сочетаний) видов энергии и свойств
вещесгв в вы являем ы х алгоритм ах преобразований изм ерительны х си г­
налов в аналоговой части средств измерений.
При анализе эф ф ективности синтезируем ы х принципов измерений
используется теория изм ерительны х преобразователей, представляемы х
в виде электрических четы рёхполю сников.
П ри и зуч ен и и л ю б о г о явл ен и я, с о с т о я щ е го во в заи м о д ей стви и
двух величин, допускается прин ять одну величину за причину (воз­
действие), а другую — за следствие (реакцию ) (табл. 2.2).
В средствах изм ерений в первую очередь необходим о рассм атри­
вать п р о ц есс п р е о б р а зо в а н и й , п р о и сх о д я щ и х в а н а л о го в о й части ,
к о то р ы й х а р а к т е р и зу ю т н о с и т е л и и н ф о р м а ц и и — п о то ки э н ер ги и
си гн алов. Э ти потоки эн ер ги и п ред ставл ен ы в ви де двух величин;
воздействия и реакции. Н априм ер, поток электрической энергии оп и ­
сы вается п роизведением напряж ения и тока. Н апряж ение р ассм атр и ­
вается как возд ей стви е, а ток — как реакция. П од о бобщ ен н ы м ж е
зарядом п оним ается св ой ство м атерии к взаи м од ей стви ю , сп о со б ­
ность реаги ровать на различны е воздействия во времени. Н априм ер,
для хи м ической эн ерги и обобщ енн ы м зарядом является кон ц ен тр а­
ция вещ ества. Чем б о л ь щ е кон ц ен тр ац и я вещ ества, тем вы щ е его
способность к хим ическим превращ ениям (реакциям ). О бобщ енное
сопротивление для лю бого вида энергии определялось отнощ ением
в о зд ей стви я и вы зв ан н о й им р еак ц и и . Э та ве л и ч и н а х а р а к те р и зу е т
присущ ую м атер и и с п о с о б н о с ть о к азы в ать со п р о ти вл ен и е внеш ним
во зд ей стви я м .
П ри ф орм апизт щ и описания алгоритм а преобразований, п роисхо­
дящ их в датчиках, м ожно принять следую щ ие условные обозначения.
40
ГЛАВА 2. О Д Н О М ЕР Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДАТЧИКИ
Т а б л и ц а 2.2
О бобщ енны е величины для различны х видов энергии
Виды
энергии Э*
Электри­
ческая Э/,'
Напряжение
(причина)
Ток
(следствие)
ц.
!•
Обобщённые величины
Заряд
Сопротивление
Энергия Э*
Е»
Поток
энергии Р»
(/
III
Магнитная
Ф = Л/'й
%
Механи­
ческая Э[.-
У=Ш!Ш
Акусти­
ческая Э|^
с1У1Л
/, = п о
/4 =
Г,.
<1Ф1Л
К(= ГЫ
Г1,ЛФ/В1
П
Гу
р-У
7ВУШ1
8габ Г 1 С ,
цгаб Г/-1/т
Н.»
Яг,
ВУ IЛ
Тепловая Э
Ут =
егаат
В(1С^
к\.
Д7'
Кг =
УХ
л
Оптическая
(оЯ
Л, = -
ь
Ионизаци­
онная Э'К
Вт/сН
Химическая
Эг
Вх/В/А
ВМ1В1
/4 =
0„Вт !В1
Вт I В/
ВхЛВП'
ВЫ / В!
ВуВВг У-Ы
Вх ^, ВЫ
В1
В/
С и с т е м а т и за ц и я о б о б щ ё н н ы х ве л и ч и н :
- м агнитодвиж ущ ая
сила; Ф - м агнитны й поток; I - индуктивность; V - скорость; / - пере­
м ещ ение; О ~ ж ёсткость; р — звуковое давление; V — объем ; §гас1 Т ф а д и е н т тем пературы ; А Т — приращ ение тем пературы ; С, - теп л о ём ­
кость; X - к о эф ф и ц и ен т теп л о п р о во д н о сти ; Н - э н ер гети ч еск ая эк с­
позиция; А - сила света; Е - эн ергети ческая освещ ён ность;
- доза
излучения; т - м асса; А т /Л - поток ион и зи рую щ его и злучен и я; у к о эф ф иц иен т диф ф узии; N - концентрац ия; я - п оток ф отонов.
Э,,,
Э,, Э,., Эр
Э р Эр — виды энергии соответственно элек­
тр и ч еской , м агн итной, теп л о во й , м ехан и ч еской , аку сти ческо й , о п ти ­
ческо й , р ад и ац и он н ой и х и м и ческ ой п рироды ;
~ о б о б щ ен н о е э н ер ге ти ч е ск о е (в ещ е ств ен н о е ) св о й ство
и зм ер яем о й вели чи н ы , где и н декс к у к а зы в а е т на п р и н ад л еж н о сть
2 2. Автоматизация поиска набора последовательности физических явлений
41
величины к одном у из видов энергии (электрической, м еханической и т.
д.), а ж - на п ринадлеж ность к конкретной изм еряемой величине (напря
ж ение, сила и т. д.);
Э“^ - вид эн ерги и с ф и ксированны м норм и рован н ы м разм ером ;
ДЭ^ - приращ ение (изм енение) энергии;
В - а к ти в н ы е в е щ е с т в а ч у в с т в и те л ь н ы х эл е м е н т о в д а тч и к о в ,
сп особн ы е ген ер и р о вать вид эн ергии, отличны й о т входн ой (ген ер а­
то р н ы е);
- п ас си в н ы е в е щ е с т в а ч у в ст в и те л ь н ы х э л ем ен т о в д а тч и к о в ,
сп особны е п реоб разовы вать входн ой вид энерги и (парам етри чески е);
В* — видоизм ененное состояние вещ ества (агрегатное, ф азовое и
т. п.) или вещ ествен н ого свойства;
( В Д , ,..) — ком позици я вещ еств чувствительн ого элем ента;
«л» — знак конъю нкции;
«=>» — знак возд ей стви я входной величины ;
«_>» — знак преобразования вида эн ергии или свойств вещ ества.
Все п р е о б р а з о в а н и я о с н о в а н ы н а б а зо в ы х а л г о р и т м а х [2.17]. При
восприятии свойств вещ ества
используется известная вспом огатель­
ная энергия Э", которая взаи м од ей ствует с вещ еством и и зм ен яется,
принимая вид части энергии Э " - ДЭ. В результате формируется сигнал
(А ,^ ;
-> ДЭ),
й Э"
а восп ри яти е эн ерги и вы п ол н яется в зави си м о сти о т свой ств вещ е­
ства чув стви тел ьн о го эл ем ен та:
А ; Э^.
В,^-э Э (использую тся «генераторны е» свойства вещ ества)
и
^
(п реобразование пассивного вещ ества В,,).
й Э"
Т аки м о б р азо м , один из а лго р и т м о в
св язан с п ри м ен ен и ем
вещ ества, п о зв о л яю щ е го и зм ен ять ви д эн ер ги и вх о д н о й вел и чи н ы ,
наприм ер тепловой на электрический (Э.^.
В,^ -> Э^,), а другой
—
с изм енением парам етра вещ ества В,,*, с последую щ им п рео б р азо ва­
нием его в энергию .
Р ассм отри м ал гори тм и зм ерен и я те м п е р ату р ы п о ср едство м т е р ­
м оп ары , н аш едш и й ш и р о ко е р а с п р о ст р ан е н и е и з-за д о с та то ч н о х о ­
рош их м етр о л о ги ч еск и х х ар ак тер и сти к , а та к ж е п ростоты , д е ш ев и з­
ны и н ад еж н ости [2.9]. Э тот ал гори тм д е й ст в у ет при н аличии двух
вещ еств, образую щ их терм опару (В, и В^), генерирую щ ую Е.^,. М етод
г , ______________ ГЛАВА 2. О Д Н О М ЕР Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДА ТЧИКИ
осн ован на сущ ествовании определенной зависим ости меж ду терм оэлек­
тродвиж ущ ей силой (терм оЭ Д С )
возникаю щ ей в цепи, составленной
из разнородны х проводников (В, ВД^, и температурой Т мест соединения
этих проводников. ТермоЭДС терм опар зависит лиш ь от м атериала тер ­
м оэлектродов В |, В ^, от тем пературы её «горячего» спая Т и тем перату­
ры окруж аю щ ей среды
(«холодного» спая) и не зави си т ни о т диам етра
терм оэлектродов, ни от их длины , ни от распределения температур по их
длине (эф ф ект Зеебека). Н едостатком прим енения терм опары является
необходимость учета температуры холодного спая — температуры окру­
ж аю щ ей среды Тд. Это достигается учетом результата измерения этой тем ­
пературы, а в некоторых случаях ее компенсацией (Е.^. - ЕД. У чет тем п е­
ратуры холодного спая может бы ть выполнен с помощью дополнительного
датчика температуры В Д терм ометра сопротивления), формирую щ его сиг­
нал тем пературы холодного спая Е^^.
Итак, алгоритм действия, позволяю щ ий ф орм ализовать рассм атри ва­
ем ы й м етод измерения температуры , следую щ ий;
Т => (В .-В Д Д -э Е.,
■ ->
(Е^-ЕД ,
(2.1)
}
п
I
Д р угой т т алгорит м а связан с получением разности меж ду со ­
сто ян и ем в е щ ества ч у в ст в и те л ь н о го э л ем ен та д о во зд ей стви я в х о д ­
ной величины и после ее воздействия.
Э тот тип ал го р и тм а р еал и зу ется при во сп ри яти и и п р ео б р азо в а­
нии тем пературы с п ом ощ ью терм оп реоб разовател ей соп роти влен и я.
В данном случае терм орези стор
и ком пенсационны й рези стор В,,,,
вклю ченные в мостовую схему, находятся при температуре Т и Ц . Если
терм ом етры вклю чены в соседн ие плечи м остовой цепи, п итаем ой от
и ст о ч н и к а п о ст о я н н о го то к а ЭД{1}, то в и зм ер и те л ьн о й д и аго н ал и
форм ируется напряжение, несущ ее информацию о тем пературе окру­
ж аю щ ей среды Ц . П ри воздействии изм еряемой температуры Т элект­
рическое сопротивление терм ом етра изм еняется В,_Д, а следовательно,
изм еняется и падение напряж ения 1).^. на терм ом етре. Н а и зм ери тель­
ной диагонали м остовой схемы форм ируется электрический сигнал, не­
сущ ий информацию об изм еряемой тем пературе ДЭ^, (^.^. - ЕД.
2 2 Автоматизация поиска набора последовательности физических явлений
Таким образом , алгоритм работы датчика м ож ет бы ть записан в сле­
дую щ ем виде:
П
(2.2)
п2
Г
О
п2
П р и м ен ен и е ал го р и тм о в п о зв о л я е т ф о р м ал ь н о о п и са ть п ро ц есс
п р ео б р азо ван и я с и гн а л о в в ан а л о го в ы х д атч и ках .
В прилож ении приведены сведения о некоторы х основны х физи­
ческих явлени ях и м атери ал ах, гд е он и п роявляю тся: для д атч и ко в
те м п ер ату р ы , м ех ан и ч ес к и х вел и чи н (д авл ен и е, сила, д е ф о р м ац и я),
о тн о с и тел ь н о й в л аж н о сти во зд у х а, м агн и тн о й и н ду кц и и , св ето в о го
потока, ак ти в н о сти рад и ац и о н н о й и зв у к о в о й эн ерги и .
В ы бор этих вели чи н об у сл о вл ен их ш ироки м р асп р о стр ан ен и ем
в различны х областях науки и техн ики и в ж изн и человеческо го о б ­
щ ества.
2 2 2. М Е Т О Д И К А П О И С К А С Т Р У К Т У Р Ы
Р азр аб о тан а м ето д и ка ав то м ати зи р о в ан н о го пои ска структур
п р ео б р азо ван и й для 8 видов эн ер ги и и вещ еств (п р ео б р азо в а те л е й
энергии и п арам етри ч ески х п реоб разовател ей ) [2.20]. О на вклю чает:
а) ф о р м и р о в ан и е п ри н ц и п а раб о ты д атч и ка, т. е. со в о ку п н о сти ф и ­
зических явл ен и й , с п ом ощ ью обоб щ аю щ и х ал го р и тм о в, н ай ден н ы х
в результате анали за более 200 м етодов изм ерения ф изических вели­
чин и ф о р м ал и зо ван н ы х раб очи х ал гори тм ов п р ео б р азо ван и й вещ е­
ства и энергии в датчиках; б) создание банка данны х по физическим
я в л е н и ям в ф о р м е, у д о б н о й дл я м а ш и н н о й о б р а б о т к и ; в) о ц ен к у
свойств структур п реоб разован и й с испол ьзован и ем кри тери я со гл а­
со вания о б об щ ен н ы х со п р о ти вл ен и й , р азр аб о тан н о го с п р и вл еч ен и ­
ем м атери ал ов теорети ч еской м ехани ки, теори и четы рёхп олю сн и ков
и теории ан алогий и п одобия. П ри разр аб о тке критерия и сп о л ьзо ва­
лись идея академ и ка А. А. Х аркеви ча по вы воду обобщ енны х со п р о ­
ти влений для н екоторы х видов эн ергии и известн ы й в теори и эл ек т­
ри чески х четы рёхп олю сн и ков сп особ оценки эф ф екти вн ости
генераторны х и парам етри ч ески х п реоб разовател ей [2.21]. Т аким о б ­
р азом , бы л ав то м ати зи р о в ан п о и ск структур п р ео б р азо ван и й си гн а-
44______________ГЛАВА 2. О Д Н О М ЕР Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДАТЧИКИ
подбором наиболее рациональны х комбинаций ф изических явле­
ний и использовалась база знаний о свойствах материалов, в которых про­
являю тся эти явления. Конструкция датчиков разрабаты вается в дальн ей ­
шем с учетом предложенной структуры.
Н а основе «вещ ественно-энергетического» подхода разработана м е­
тодика* поиска наборов принципов построения одном ерны х и много­
м ерны х м ногоступенчаты х датчиков с использованием И -И Л И графа
К ёнига и банка ф изических явлений и м атериалов, где они проявляю тся
[2.17].
Р ассм отрим основны е особенн ости этой м етодики и условия ее при­
м енения. Пусть имеется некоторое конечное м нож ество ф изических яв­
лений, действие которых отраж ается в ориентированном граф е К ёнига
О = (А", А"', м), где к И -верш инам }С относим вещ ества (В ), а к И ЛИ -верш инам X " — входные и выходные виды энергии (Э). Граф С им еет дуги
из X € А’ и у € X " , если х соответствует входной энергии, относящ ейся к
физическому объекту (В ) - у, и дуги из у е А" в х е А'” , если верш ина х
соответствует выходному виду энергии, относящ ем уся к физическом у
объекту (В ) - у. Пусть для каж дой верш ины х е X " на парах дуг (м, у),
одна из которых входит, а другая выходит из х, определена функция: Д (и,
у) = О, если для см еж ны х входной и выходной верш ин вид энергии
им еет одинаковую физическую природу; 1 — в противном случае.
П рим ер такого граф а приведен на рис. 2.12, а, где верш ины из множ е­
ства АГ (В -верш ины ) обозначены полож ительны м и числам и. Это И -верш ины. Н априм ер, чтобы получить выходные виды энергии - 4 и - 6 необ­
ходимо, чтобы на физическое тело (верш ина 4) действовало одновременно
два входны х вида энергии - 1 и - 2 .
Верш ины из м н ож ества X " (Э -верш и н ы ) обозн ачен ы отр и ц ател ь­
ными числам и. Н априм ер, вы ходны м видом эн ерги и ф и зи чески х тел
4 и 5 является вид энергии - 6 , В таком случае для физических объектов
6 и 7 безразлично, какой вы брать вид энергии о т верш ины 4 или 5.
Таким образом, верш ина - 6 м ож ет быть обозначена как И ЛИ-верш ина.
В граф е на рис. 2.12, а верш ины - 1 , - 2 , - 3 являю тся входны м и
и зм еряем ы м и величин ам и (для м н огом ерн ы х м н огоступ ен ч аты х д а т­
чи к о в), верш и на - 7 — вы ход н ы м видом эн ерги и , р еали зую щ и м за­
данную функцию датчика. Справа на рис. 2.12, а представлена Д (и, у)-
ЛО В с
* Приводимый далее материал полезен главны.м образом при проектировании но­
вых датчиков, а также при анализе работы многоступенчатых датчиков.
2 2 Автоматизация поиска набора последовательности физических явлений
б'Решение К» 1:
-7 6 - 4 4 - 1 4 - 1
6 -6 4 -1 4 -2
Рис 2.12. Пример И-ИЛИ графа (а) и построение И-ИЛИ дерева (6, в)
46______________ГЛАВА 2. О Д Н О М Е Р Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДА ТЧИКИ
функция в м атричном виде. Д («, у)-функция не задается для входных
величин и выходного вида энергии. Например, для ИЛИ вер ш и н - 6 по гори­
зонтали указаны ее материнские вершины, а по вертикали — дочерние
вершины. Единиад на пересечении 4-й и 6-й вершин указывает, что Д (и, у ) =
= 1, и выходной вид энергии верш ины 4 (верш ина - 6 ) не м ож ет бы ть
состы кован с входным видом эн ерги и (в е р ш и н а - 6 ) для верш ины 6. Это
означает, что соответствую щ ие ф изические явления не м огут бы ть со сты ­
кованы.
П ростой путь
«I
...и т
... Ж| I и, будем назы вать правиль­
ным, если для лю бой И Л И -верш ины , входящей в него, вы полняется у с­
ловие стыковки Д(м^;
0. В данном случае верш ины Жд ж ,... являю т­
ся И Л И -верш инам и, а ж^ ж^ ... — И -верш инам и; м, и, ... — дугами, их
соединяю щ им и;
— выходным видом энергии (корневой верш иной)
Реш ение О (ж^, 10 назовем м нож еством всех просты х правильны х путей
обладаю щ их свойствами: некоторый простой правильный путь ж^ г/^ х^...и
Ж| = ) ' входит в реш ение (у, — некоторая верш ина, из множества
входных видов энергии У); если И -верш ина у € А" входит в путь, вклю
ченны й в реш ение, то для каж дой дуги, входящ ей в ж, необходимо вклю
чить в реш ение один из просты х правильны х путей, начинаю щ ихся из х
проходящ их через дугу и оканчиваю щ ихся в одной из верш ин у* е У
Такое рекурсивное определение м нож ества р еш ений 0 ( х ^ , У ) порож дает
реализацию слож ной древовидной структуры (рис. 2.12, б, в). М ощ ность
этого м нож ества м ожет бы ть больш ой. Таким образом , м ож но сф ормули­
ровать следую щ ую задачу: в граф е О по заданны м верш инам ж^, у^, € У
найти все реш ения О (х^, У).
Н еобходимо бы ло разработать комплекс програм м с прим енением
банка ф изических явлений, а такж е материалов, в которых они проявля­
ю тся (рис. 2.13). Э тот комплекс програм м долж ен бы л им еть следую щ ие
особенности: наличие п р о ф а м м ы анализа графа возмож ны х реш ений;
наличие програм мы РКШ Т, позволяю щ ей вы брать небольш ое количе­
ство технических реш ений с учетом разработанны х и описанны х ниже
ограничений и критериев, возм ож ности поиска принципов действия вза­
и м освязанны х технических реш ений различны х технических систем, в
том числе и датчиков. Н аличие програм м ы анализа графа долж но позво­
лить вы явить возм ож ны е ош ибки разработчика, при вводе исходных
данных на начальной стадии проведения автоматизированного поиска. При
наличии ош ибки ЭВ М долж на классиф ицировать ее, оповещ ать об этом
2 2 Автоматизация поиска набора последовательности физических явлений
47.
оператора и останавливать программу. В результате долж но экономиться
м аш инное время.
При оценке эф ф ективности преобразований датчиков на основе син­
тезируем ы х принципов в Э В М следует ввести лестничную функцию ,
определяю щ ую входное сопротивление цепи многократных преобразова­
телей сигналов в датчике. Э та функция им еет вид [2.17]:
-1
к?
Л,
(2.3)
где /?■— входное обобщ енное сопротивление м ногоступенчатой цепи
п реоб разовател ей ;
— со б ствен н ы е обо б щ ен н ы е со ­
противления каж дой из ступеней цепи; К ’^ - .К 'г Л ’У
■■■ — к о эф ­
ф ициенты п р еоб разован и я каж дой из ступеней цепи.
На Э В М бы л прои зведен синтез совокупностей ф изических явле­
ний в м н о го с ту п е н ч а т ы х м н о го м ер н ы х д атч и к ах с и сп о л ь зо ван и ем
разработанн ы х огран и ч ен и й : «ярусного» (огран и чен и е по количеству
и сп ол ьзуем ы х И -в ер ш и н ф и зи ч ески х явл ен и й ); « тех н о л о ги ч еск о го »
в п ри м ен ен и и м ате р и ал о в , н аход ящ и хся в тв ер д о м со сто ян и и (п р о ­
во д н и ков , д и э л е к т р и к о в и п о л у п р о в о д н и к о в ); « п р и о р и т е т а по в е р ­
ш инам » (о гр а н и ч е н и е на к о н к р е тн о е ф и зи ч ес к о е явл ен и е, н ал и ч и е
которого обя зател ьн о ), а такж е двух критериев «совм естим ости ».
Суть первого критерия «совм ести м ости » следую щ ая. О тдельн ы й
и зм ери тел ьн ы й п р ео б р азо вател ь м ож н о у сл овн о п ред стави ть в ви де
чувствительного элем ента, парам етры которого изм еняю тся при во з­
д е й ств и и и зм ер яе м ы х вел и чи н , и двух эл е к тр о д о в . Е сл и н ал о ж и ть
Д о п о л н и тел ь н о е « те х н о л о ги ч е с к о е » о г р а н и ч е н и е , р еш и в , ч то Э В М
п р ед ставл яет ли ш ь ф и зи ч ески е явлени я, ко то р ы е п р оявляю тся в ве­
щ ествах, находящ ихся в твердом состоянии (в проводниках и ди эл ек­
тр и ках), и д о п о л н и тел ьн о задать услови я обязател ьн о сти п оследова-
48
ГЛАВА 2. О Д Н О М Е Р Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДА ТЧИКИ
П остроение
усеч ен н о го И-ИЛИ
дерева б ез запретов
на вершины
о
Звод вершин в м ассив'
Ю В , си м вольной инуформации в массив 1с
/
1Г
В ы бор И-ИЛИ
вершин в массиве
А нализ
исх о д н ого графа
м \и
9
лг
В се условия проверки
выполнены?
П остроение
комбинаций висячих
вершин
3
10
П остроение
эквивалентного
И-ИЛИ дерева
—^
Вы ход из
програм м ы .
Печать ош ибки
4
6
Имеются циклы
в гра(|№?
___ ^
5
П остроение всех
возмож ны х реш ений
и запись их на
магнитный диск
Выход из
программы.
Печать ошибки
7
Рис 2.13. Схема алгоритма использования комплекса програмь
2, 2. Автоматизация поиска набора последовательности физических явлений
49
тел ьн о го чер ед о ван и я сл о ев м атери ал ов д и эл е к тр и к а и п р о во д н и ка,
то появится возм ож н ость и сполнить конструкцию , которая будет о т­
л и ч а ть с я о т п р о ст о й к о м б и н ац и и о д н о м е р н ы х д а тч и к о в . В ы п о л н е ­
ние таки х о п ер а ц и й п о зв о л я е т н ах о д и ть стр у кту р ы д атч и к о в , о б л а­
даю щ ие следую щ им и преим ущ ествами. В о-первы х, м ож но ум еньш ить
ко ли ч ество эл ек тр о д о в, так как один и то т же эл ек тр о д м о ж ет бы ть
о бщ и м для ч у в стви тельн ы х эл ем ен тов. Э то п о зво л и т у м ен ьш и ть га­
б а р и ты и м асс у д а тч и к а . К р о м е т о г о , в д ан н о м с л у ч а е с о к р а ти тс я
число электрических соединений электродов и «вы водов», что, в свою
очеред ь, п овы си т его н адеж ность. В о-вторы х, появится возм ож н ость
и сп о л ьзовать чув стви тельн ы й элем ент, вы пол н ен н ы й из э л ек тр о п р о ­
водящ его вещ ества, в качестве электрода, что упрости т структуру дат­
чика. В этом сл уч ае чув стви тельн ы й эл ем ен т, п ред н азн ач ен н ы й для
получения и н ф орм ац и и об од н ой из и зм еряем ы х вели чи н , д о п о л н и ­
те л ь н о см о ж е т в ы п о л н и т ь ф ункцию эл е к т р о д а д л я д р у го й вх о д н о й
величины . В каж дом кон кретн ом сл у ч ае п ри м ен яется это т критерий
на основе анализа м атериалов, представленны х ЭВ М для дан н ого ва­
р и ан т а п р и н ц и п а д е й с т в и я д а тч и к а , и п о и ск а м ате р и ал о в для всех
и зм ер яем ы х величин .
В торой к ри тери й со в м е ст и м о с ти п р ед у см ат р и в ае т со гл асо ван и е
входны х и вы ходны х сопроти вл ен и й в цепи изм ери тельн ы х п реоб ра­
зований датч и ка [ф орм ула (2.3)].
В качестве граф а техн и чески х реш ений (для поиска новых п рин­
ципов действия м н огом ерн ы х датч и ков тем п ературы , усилия и о тн о ­
сительн ой влаж н ости) бы л использован граф , которы й содерж ал все­
го лиш ь 40 хорош о извест ны х и используем ы х на пр а кт ике ф изических
явлений (рис. 2.14).
В о-п ервы х, это сдел ан о сп ец и ал ьн о и связан о с тем, что при и с­
пользовании расш иренного банка физических явлений всегда сущ еству­
ет больш ая вер о ятн о сть вы б ора н овой совокуп н ости явлен и й н етр а­
д и ц и о н н о г о п р и м е н е н и я (в ц еп и в е щ е с т в е н н ы х и э н е р г е т и ч е с к и х
п реоб р азован и й ) и м алои звестн ы х ш ироком у кругу специалистов.
В о-вторы х, для характеристики бол ьш ого коли чества ф изических
явлен и й необ ходи м ы вы вод и сход н ы х урав н ен и й и дан н ы е дл я р а с ­
ч е та у сл о в и й с о г л а с о в а н и я с о п р о т и в л е н и й . Д л я э т о г о п о тр е б у е тся
зн а ч и те л ьн о е врем я.
Т аким образом , задачу поиска набора ф изических явлений в дат­
чиках м ож н о р еш и ть следую щ им образом :
50
ГЛАВА 2. О Д Н О М Е Р Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДА ТЧИКИ
2 2, Автоматизация поиска набора последовательности физических явлений
1) в ф орм е, удоб н ой для м аш ин ной обработки , со здать базу д а н ­
ных, вклю чаю щ и х свед ен ия о м атери ал ах вещ еств, где проявляю тся
эти явления;
2 ) зад ать о гр ан и ч ен и я, н ал агаем ы е на п ол учаем ы е совокуп н ости
ф и зи ч еских явлений;
3) найти в о зм о ж н ы е к о м б и н ац и и ф и зи ч еск и х явлен и й с у четом
задан н ы х о гран и ч ен и й и оц ен и ть эф ф екти вн о сть п р ео б разован и й по
п р ед л ож ен н ой м етод и ке.
2.2.3,
РЕЗУ Л ЬТ АТЫ ПОИСКА П РИ Н Ц И П О В Д ЕЙ С ТВИ Я
М Н ОГО СТУП ЕНЧАТЫ Х ДАТЧИ КОВ
С п о м о щ ь ю Э В М бы л п р о и зв е д е н а в т о м а т и зи р о в а н н ы й п о и ск
новы х со в о к у п н о стей ф и зи ч ески х явл ен и й в датч и ках тем п ер ату р ы ,
силы и отн оси тел ьн ой вл аж ности воздуха, с и сп ользован и ем И -И Л И
графа, показанн ого на рис. 2.14, и ограничений; «ярусного» (ко л и ч е­
ство И -верш ин задавалось равным 2) и «технологического». В резуль­
тате п о и ск а бы л и н ай д ен ы б о л ее 20 ран ее н еи зв ес тн ы х п р и н ц и п о в
д ей стви я таки х датч и ко в .
Н а о сн о в е о д н о го из н ай д ен н ы х п р и н ц и п о в р азр аб о тан а к о н с т­
рукция м н о го сту п ен ч ато го д атч и к а тем п ер ату р ы (рис. 2.15). Д атчик
вы полнен в виде п олой ц или н дри ч еской втулки из ди эл ектр и ческо го
т е п л о и зо л я ц и о н н о го м ате р и ал а с м алы м об ъ ем н ы м коэф ф и ц и ен то м
тем п е р ату р н о го расш и р ен и я. В верхн ей части к о р п у са устан о вл ен ы
интегральны й тен зоп реоб разов ател ь и приж им ная втулка. И н теграль­
ный т е н зо п р е о б р а зо в а т е л ь п р е д с т а в л я е т соб ой к р ем н и еву ю п р о ф и ­
л и р о в а н н у ю м е м б р а н у , о б р а м л е н н у ю к о л ь ц о м ж е с т к о с т и . М еж д у
втулкой и тен зоп реоб разовател ем пом ещ ено терм о м етр и ческо е вещ е­
ство с бо л ьш и м к о эф ф и ц и ен то м о б ъ е м н о го р асш и р ен и я — се р еб р о
Принцип действия датчика основан на изменении давления р м еж ­
ду втулкой и тен зо п р ео б р азо в ате л ем при и зм ен ен и и тем п ер ату р ы Т
серебра В
ВД . И зм енение давления р приводит к деф орм ации м ем ­
браны т е н зо п р ео б р азо в ате л я (тен зо р ези сти вн ы й м о ст с и зм ер и те л ь ­
ным
и ком п ен сац и он н ы м
те р м о р е зи ст о р ам и ). М о ст п и тается
от источника постоянного тока
В результате на изм ерительной
д и а го н ал и м о с т а ф о р м и р у е т с я эл е к т р и ч е с к и й в ы х о д н о й си гн а л —
-
ц ).
Ф ор м ал ьн о е оп и сан и е п реоб разован и й д атч и к а (ри с 2 .1 5 ) сл ед у ­
ющее:
52
ГЛАВА 2. О Д Н О М ЕР Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДА ТЧИКИ
в
в_
у,
-> А Э , ( В ,- У ,) ,
(2.4)
Д атчик был изготовлен на базе интегрального преобразователя с квад­
ратной м ем браной толщ иной 60 мкм. Его чувствительность к изменению
давления составила Д5 = 10 ’...10 * П а [2.22].
М ногоступенчаты й датчик во с­
принимал тем пературу в диапазоне
от О д о 4 °С с погреш ност ью 0,01
"С. П роверка датчика проводилась в
терм остате 11711-2, с использовани­
ем стеклянного ртутного терм ом ет­
ра ТЛ-2.
Д атчик наш ёл прим ен ен и е при
проведении н ау ч н о -и ссл едо ватель­
ской раб оты по и зучению влияния
а б и о ти ч ес к и х (в н еш н и х ) стр ес со в
на процесс роста и развития сельс­
к о х о зя й с т в е н н ы х к у л ь ту р п ри их
с е л е к ц и и [2 .1 4 ]. Д е л о в то м , что
если растен и е о х л аж дать по о п р е­
д ел ен н ой п р огр ам м е и то ч н о ф и к­
си ровать м ом ен т ф азового п ерехо­
д а соков растения из ж идкой фазы
в твердую , то по этой информ ации
Рис. 2.15. Двухступенчатый датчик
м ож н о судить о м о р о зо у сто й ч и во ­
температуры:
сти о б ъ е к т а и с с л е д о в а н и й . А для
/ — ц и л и н д р и ч еск и й к орпус; 2 — и н т егр а л ь н ы й т ен зо п р ео б р азо вател ь с м ем бран ой; 3 — п риж и м ная
э т о г о н ео б х о д и м д а тч и к те м п е р а ­
р езьб ов ая втулка; 4 — эл ек три ческ и е вы воды ин ­
ту р ы с в ы с о к о й ч у в с т в и т е л ь н о с ­
т е г р а л ь н о г о п р е о б р а з о в а т е л я ; 5 — т о к о с ъ ё м н и к нз
ф о л ьги р о в ан н о го стек лотек столи та с к онтактн ы м и
тью (м енее 0,01 °С).
п л о щ а д к а м и й; 7 — о г р а н и ч и т е л ь н а я т р у б к а ; Я —
эл е к тр и ч е с к и й в ы х о д н о й к аб ел ь ; 9 — се р еб р о
Список литературы к главе 2____________________________________________________ ^
С ПИСО К ЛИ ТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 2
2.1. Л евиш на Е. С., Н овицкий П. В. Э лектрические измерения ф изи­
ческих величин: (И зм ерительны е преобразователи): Учеб. пособие для
вузов. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. — 320 с.
2.2. Х оф м ан Д . Т ехни ка изм ерений и обеспечения качества: Спра­
вочная книга / П ер с нем.; П од ред. Л. М. Закса, С. С. Кивилиса. — М.:
Энергоатом издат, 1983. — 472 с.
2.3. Э лект рические изм ерения неэлектрических величин / А.М. Туричин, П. В. Н овицкий, Е. С. Л евш и н а и др. — Изд. 5-е, перераб. и
доп. — л .: Энергия, 1975. — 576 с.
2.4. Л азут ин В. И. С орбционны е преобразователи и приборы для
и зм ерен и я вл аж н о сти // П р и б о р ы , ср е д с тв а ав то м ати зац и и и у п р ав ­
ления / Т С -4 А налитически е приборы и приборы для научных иссле­
дований. Вып. № 4. — М.: И нф орм прибор. — 54 с.
2 .5 . П р и б о р ы к о н т р о л я о к р у ж а ю щ е й ср е д ы /В . Е. М а н о й л о в ,
П. Н. Неделин, А. Н. Лукичев и др.; П од ред. проф. В. Е. М анойлова. —
М.: А том издат, 1980. — 213 с.
2.6. Д ат чики изм ерительны х систем : В 2 книгах. Кн. 2 / Ж . Аш,
П. А ндре, П. Д егут и др.; Пер. с франц. — М.: М ир, 1992. — 424 с.
2.7. В иглеб Г. Д атчики: Пер. с нем. — М.: М ир, 1989. — 196 с.
2.8. А лейн иков А .Ф . И сп ользовани е вещ ественны х и эн ер гети чес­
ких п р е о б р а зо в а н и й п ри к о р р ек ц и и п о гр ещ н о ст ей д а тч и к о в // Н о ­
вые м етоды и те х н и ч е ск и е ср е д с тва и ссл ед о ван и й ф и зи ч ески х п р о ­
цессов: Сб. науч. тр./ РА С Х Н . — Н овосибирск, 1997 — С. 3 — 20.
2.9. С основский А. Г , С т олярова И. И. И зм ерение температур. —
М.: Стандарт, 1970. ^ 258 с.
2.10. С пект ор С. А. Э л ектри ч ески е и зм ерен и я ф и зи чески х вели ­
чин: М етоды изм ерений: У чеб. пособие для вузов. — Л.; Э нергоатом И'здат. 1987. — 320 с.
2 1 1 . Дворянкин А.М ., П оловинкин А.И., С оболев А.Н. М етоды син­
теза технических реш ений. — М.: Н аука, 1977. — 104 с.
2.12. Д ворянкин А.М ., П оловинкин А.П., С оболев А Н. О б ав то м а­
ти зац и и п о и ск а прин ц и п ов дей стви я те х н и ч е ск и х си стем на о сн о в е
б а н к а ф и з и ч е с к и х я в л е н и й / / К и б е р н е т и к а . — 1 978. — № 1 . —
С. 80— 86.
2.13. А лей н и ко в А. Ф. , Ц апенко М.П. А втом атизация вы бора ф и­
зи ческих явл ен и й м н огоф ун к ц и он ал ьн ы х д атч и ко в И П риборы и си ­
стем ы управления. — 1990. — № 4. — С. 27— 29.
54______________ ГЛАВА 2. О Д Н О М Е Р Н Ы Е М Н О Г О С Т У П Е Н Ч А Т Ы Е ДАТЧИКИ
2.14. Алейников А. Ф. Создание новых средств измерений для АПК. —
Н овосибирск : АО ЗТ «Трина», 1993. — 160 с.
2.15. Зарипов М. Ф., П ет рова И. Ю, С улейм анов Н. Т Н адеж ность
элем ентов и средств управления с распределённы м и парам етрам и. — М.:
Наука, 1 9 8 0 ,— 153 с.
2.16. З арипов М. Ф., П ет р о ва И. Ю. Э нергоин ф орм аци он н ы й м е­
то д ан али за и си н теза ч у встви тельн ы х эл ем ен тов си стем уп равлен и я
// Д атчи ки и системы . — 2000. — № 1. — С .10— 16.
2.17 А лейников А.Ф . С труктурны й синтез принципов и средств из­
м ерений // Сиб. вести, с.-х. науки. — 1996. — № 2. — С. 124— 134.
2.18. А лейников А.Ф. Э лем енты теории синтеза м ногоф ункциональ­
ных изм ерительн ы х у стр о й ств // А втом атизац ия и кон троль тех н о л о ­
гических процессов в сельском хозяйстве: Сб. науч. тр ./ В А С Х Н И Л .
Сиб. отд-ние. — Н овосибирск, 1982. — С. 63— 95.
2 .1 9 . А л е й н и к о в А. Ф. К в ы б о р у ст р у к ту р ы м н о го ф у н к ц и о н а л ь ­
ных и зм ер и тел ьн ы х у с т р о й с т в // П р и б о р ы и си стем ы у п р ав л ен и я и
ко н тр о л я для с е л ь с к о го х о зя й с тв а : Сб. науч. тр. / В А С Х Н И Л . Сиб.
отд-ние. — Н овосибирск, 1984. —- С. 68— 96.
2.20. А лейн иков А. Ф. М етоди ка структурного си н теза принципов
действия датчиков // Д атчики и систем ы . — 1999. — № 2. С. 23— 25.
2.21. Х аркевич А. А. Т еория электроакустических преобразователей:
Избр. Т р .— М; Наука, 1973. — Т. 1; Волновы е процессы. — 400 с.
2 .2 2 . Г р и д ч и н В. А. П р о е к т и р о в а н и е т е н зо п р е о б р а зо в а т е л е й на
эф ф екте поперечной пьезоЭ Д С с учётом разм ера потенциальны х кон­
такто в // Ф изи ч ески е осн овы полуп ровод н и ковой тен зо м етр и и : М ежвуз. сб. науч. тр./ Н овосиб. электротехн. ин-т. — Н овосибирск, 1984. —
С. 109— 119.
ГЛАВА 3
М Н ОГОМ ЕРНЫ Е ДАТЧИКИ
3,1.
У1ЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН
П од м ногом ерны м и поним аю тся датчики, восприним аю щ ие и преоб­
разую щ ие несколько входных величин.
В них долж н ы вы п ол н яться р азд е л ь н о е во сп р и яти е входн ы х ве­
личин, а такж е вы дача о них изм ерительн ы х сигналов. П ом и м о того
что д а тч и к и до л ж н ы б ы ть и зб и р ате л ь н ы м и к вх о д н ы м в е л и ч и н ам ,
они д о л ж н ы б ы т ь м а л о ч у в с т в и т е л ь н ы м и к п о м ех ам . Ж е л а т е л ь н о ,
чтобы они имели м алы е габариты и массу, бы ли технологичны м и при
и зго товл ен и и , о к азы в ал и м и н и м а л ь н о е во зд ей с тв и е на и сследуем ы й
о б ъ ект и о б л адал и за д ан н ы м и м етр о л о ги ч еск и м и хар актер и сти кам и .
О стан ови м ся на о сн овн ы х м етод ах р азделен и я входн ы х вели чи н
[3.1,3.2],
М етод « п р и в е д е н и я » , заклю чаю щ ийся в организации селективны х
каналов во сп р и яти я вел и чи н . О н п р ед у см ат р и в ае т о б ъ ед и н ен и е н е­
скольких ч у в стви тельн ы х селекти вн ы х элем ен то в в одном датч и ке и
параллельное во сп р и яти е входны х величи н. Н а этом м етод е о сн о в а­
но ф ункц иони рован и е селективны х м н огом ерн ы х датч и ков не с п р о ­
стым объединением чувствительны х элем ентов, а с конструктивно пе­
реработанной их комбинацией, наприм ер, для ум еньш ения габаритов и
массы, совм естного м н огоф ун кци онального использования вы водов и
м атериалов вы водов в качестве вещ ества чувствительны х элементов.
М етод « и с к л ю ч е н и я » , предусм атриваю щ ий коммутацию или вы бо­
рочное врем енное «исклю чение» воздействия заданны х величин. При ис­
пользовании этого м етода восприятие входных величин происходит пос­
ледовательно во времени.
56_______________________________________ ГЛАВА 3. М Н ОГОМ ЕРН Ы Е ДАТЧИКИ
М етод « во зд ей стви я » , заклю чаю щ ийся в изменении дополнительной
энергии воздействия при активном восприятии пассивны х величин. В ча­
стности, к нему относятся изменения частотного спектра при изменении
энергии воздействия.
М е то д п е р е с т р о й к и п а р а м е т р о в и р еж и м о в р а б о т ы д а т ч и к а . При
во сп р и яти и каж дой из и зм еряем ы х вели чи н у д атч и ка и скусствен н о
изм еняется режим его работы. В осприятие вы ходны х величин при ис­
пользовании этого м етод а п рои сход и т последовательн о во времени.
Н а п рак ти к е н аи б о л ее р а с п р о с т р а н е н ы м н о го м е р н ы е с е л е к т и в ­
ные датчики. М етоды «исклю чения», «воздействия» и «п ерестройки»
явл яю тся о сн о в о й п ер е стр аи ва ем ы х м н о го м ер н ы х датч и ко в.
И так, будем различать селект ивны е и перест раиваем ы е м ногом ер­
ные датчики [3.3, 3.4].
Д алее остановим ся на описании м ногом ерны х датчиков, в которых
использую тся рассм отренны е методы разделения входных величин.
3.2.
ДВУХМ ЕРНЫ Е ДАТЧИКИ
В р аб о те [3.5] о п и сан д в у х м е р н ы й сел ек ти вн ы й д а тч и к дл я о д ­
н о вр ем ен н ого и зм ерен и я уси л и я и те м п ер ату р ы , о сн о в ан н ы й на и с­
пользовании пассивны х элем ентов и м етод а приведения. О н и зготов­
лен на базе нитевидны х кристаллов крем ния диам етром 3 0 ...7 0 мкм с
ориен таци ей оси роста < III > (см. рис. 5.1). Ц ентральная часть та к о ­
го д а тч и к а и м еет э л ек тр о н н у ю п р о в о д и м о с ть и-типа, а окруж аю щ ий
ее внеш ний слой р-типа (дырочная проводимость). К кристаллу с прово­
дим остью и-типа (терм оэлем ен т) приваривались контакты платиновой
м икропроволоки, легированной сурьм ой, а к слою с проводим остью ртипа (тензоэлемент) — м и кр о п р о во л о к и из чи стой п л ати н ы . Н ач ал ь ­
ное со п роти вл ен и е тер м о эл ем ен та со ставл яет 10 ... 1000 О м при тем ­
п ературе Т = (20 ± 5 °С ). Д атчи к и м еет м алы й п о к азател ь теп ловой
и н ер ц и и ( 5 0 ...8 0 м с), вы сокий к о эф ф и ц и ен т те н зо ч у в ств и тел ь н о сти
(около 65). М алы е габариты ( 1 ...4 х 0,05 х 0,05 м м ’) позволяю т изм е­
рять д еф орм ац и ю и тем п ер ату р у м алы х п о верхн остей о бъ екта.
Д атчик тем пературы и пульса [3.6] основан такж е на м етоде при­
веден и я, его эл ек тр о д (с тер м о д ат ч и к о м ) в о сп р и н и м ает тем п ер ату р у
т е л а и э л е к т р и ч е с к у ю а к т и в н о с т ь с е р д ц а . Д а т ч и к ф и р м ы Н и т1 са г
(Я пония) [3.3] , основанн ы й на м етод е приведения, п редназначен для
измерения температуры от минус 4 °С до плю с 80 °С и относительной
3/
3 2. Двухмерные датчики
влаж ности от О до 100 %. О н вы полнен в виде пленочного конденсатора
И зм ерение влаж ности среды основано на сорбции полимерной пленкой
влаги. В результате этого изм еняется диэлектри ческая п роницаем ость
пленки. В качестве чувствительного элем ента температуры прим енен м и­
ниатю рный полупроводниковы й терм орезистор.
М етод «приведения» использован и в конструкции датчика (рис. 3.1)
для изм ерения нап ряж енности м агнитного поля и тем п ературы [3.7].
Н а п одлож ку нан есен эл ем ен т Х олла, и зго то вл ен н ы й из н и теви д н о ­
го м онокри стал л а 1п8Ь, сод ерж ащ его ток овы е и «холловские» эл ек т­
роды . Д ля изм ерения тем п ературы используется со п р о ти вл ен и е кон­
такта структуры 1п8Ь — Аи, образуем ого пятым электродом. Разм еры
ч у в ст в и те л ь н о го э л ем ен т а та к о г о д а тч и к а 0,5 х 0 ,0 0 0 5 х 0,0 2 м м ’.
Д атчик испы тан в диап азоне м агнитной индукции о т О до 3 Тл и тем ­
пературе о т 77 до 350 К.
2
илщ
Рис. 3.1. Конструкция датчика для измерения температуры (Т)
И магнитного поля (Н):
I — п о д л о ж к а. 2 — н и т еви д н ы й м о н о к р и ст ал л . 3 — зо л о т о й э л ек тр о д . 4 —
т о к о в ы е э л е к тр о д ы . 5 — « х о л л о в ск и е» э л ек тр о д ы
58
ГЛАВА 3. М Н ОГОМ ЕРН Ы Е ДАТЧИКИ
О дна из японских фирм изготовляет двухмерны й датчик, основанны й
на методе «воздействия», для измерения температуры и относительной
влаж ности воздуха (рис. 3.2) из пористой керамической подлож ки с элек­
тродам и (являю щ ейся чувствительны м элементом влаж ности). Н а одну
из его поверхностей дополнительно нанесен терм очувствительны й эле­
м ент [3.8]. И зм ерение влаж ности ведется на переменном токе, а тем п ера­
туры — на постоянном.
Рис. 3.2. Конструкция датчика для измерения
температуры {Т) и относительной влажности (ф)
воздуха:
/ — п о д л о ж к а; 2 — т ер м о ч у в ст в и те л ь н ы й э л ем ен т; 3 —
кон тактн ы е площ адки
С е л ек ти в н ы й д а тч и к для о д н о в р е м е н н о го и зм ер ен и я л и н ей н ы х
в и б р ац и й и угл ового у ск о р е н и я с о с т о и т из к о р п у са с си м м етр и ч н о
в ы п о л н е н н ы м и к ам ер ам и , за к р ы т ы м и двум я м ем б р а н ам и [3 .4 ]. Д ат­
чи к р е а л и зо в а н н в ви д е м о л е к у л я р н о -эл е к тр о н н о го п р ео б р азо в ат ел я .
К ам ер ы и м ею т со о б щ а ю щ и е с я к ан ал ы , в которы х у ст ан о в л е н ы д в а
эл ек тр о д а. С ум м а э л е к тр и ч е с к и х с и гн а л о в с эл ек тр о д о в н е с е т и н ф о р ­
м ац и ю о л и н ей н о м , а р а з н о с т ь — об угл овом у ск о р ен и и (« м е то д п р и ­
веден и я» ).
В работе [3.9] описан перестраиваем ы й двухмерны й датчик для од­
новременного измерения тем пературы Т и освещ енности Е, где в каче­
стве чувствительного эл ем ента используется ф ототранзистор, коллектор­
ный ток которого:
К = Г ( т .Е .и д ,
где
— напряж ение питания фототранзистора.
3. 2- Двухмерные датчики
59
Входную величину (м етод «перестройки») вы бираю т с пом ощ ью из­
менения 1/^ соответствую щ им переклю чением. П ри этом ф ототранзистор
при изм ерении влаж ности работает в активном реж и м е (откры т), а при
измерении тем пературы — в пассивном (заперт).
П ер е с т р а и в а е м ы й д в у х м е р н ы й д а тч и к ф и р м ы Н и т 1с е г а т (Я п о ­
ния) (м ето д «воздействия») п остроен на базе керам ики из п ористого
полупроводника р -ти п а [3.10]. Д атчик состоит из керамики ВаТ Ю , —
5гТ10, с о к с и д н о -р у т е н и е в ы м и э л е к тр о д а м и , к к о то р ы м п р и вар ен ы
вы воды нагревателя и подлож ки (рис. 3.3). В данном случае и сп оль­
зу ется явл ен и е ад со р б ц и и (к о н ц е н тр ац и я в е щ е с т в а н а п о в е р х н о сти
р азд ел а с тверды м тел ом ) влаги керам и кой с соответствен н ы м изм е­
нением ее акти вн ого сопротивления. П ри и зм ерен и и ж е тем пературы
и сп ользуется и зм енен ие ем к о стн о й составляю щ ей .
Рис. 3.3. Конструкция датчика типа «Хыомикерам»:
/ — п о д л о ж к а; 2 -в ы в о д ы н агрев ател я; 3 — в ы в о д ы к ерам и к и ; 4 — клем м ы ; 5
о к с и д н о -р у т е н и е в ы е э л е к тр о д ы ; б — к ер ам и к а; 7 — н агр ев ат ел ь.
П ерестр аи ваем ы й двухм ерн ы й датч и к (этой же ф и рм ы ) на о сн о ­
ве керам ики М§СгО,, -— Т Ю 2 предназначен для изм ерения влаж ности
60
ГЛАВА 3. М Н ОГОМ ЕРН Ы Е ДАТЧИКИ
И концентрации кислорода. В данном случае при изм ерении влаж ности
такж е используется явление ф изической адсорбции. П ри воздействии же
окислительной и восстановительной среды в условиях повы ш енны х тем ­
ператур возникает хем осорбция, п ри вод ящ ая к изм ен ени ю э л ек тр о п р о ­
во д н о сти керам ики , которая н е с е т и н ф орм ацию о кон ц ен тр ац и и ки с­
л орода.
О сн о вн ы е те х н и ч е ск и е х а р а к т е р и с т и к и к ер а м и ч еск и х д а тч и к о в
ф ирм ы Н и т 1с е г а т приведены в таблице.
№
п/п
П арам етры
Д атч и к тем пературы
н влаж ности
Д атчик
влаж ности и
кислорода*
1
Г абаритны е разм еры
чувствительного
элем ента, мм
4 X 4 X 0.25
4 X 4 X 0,25
2
М атериал керамики
В аТ Ю з - 8гТ10з
М §Сг 04 - ГЮз
3
Д и апазон измерения:
влаж ности, %
тем пературы , °С
Бы стродействие, с
1 - 100
Г . .100
- 4 0 . . . +150
10
10
4
5
П огреш ность измерения:
тем пературы . °С
влаж ности, %
6
М ощ ность нагрева, ВА
7
П остоянная времени
нагрева, с.
8
Рабочая тем пература, °С
9
А н ализируем ы е газы
(в зависим ости от
.модификации)
±2
±3
10
±3
60
20
Н ет сведений
2 0 0 ... 500
3
Кислородны е
соединения,
ды м . спирт
П арам етрический двухм ерны й датчик (м етод «воздействия»), оп и ­
санный в работе [3.11], вы полнен на основе пьезокерамики и позволя­
* О т су т ст в у ю т д ан н ы е по д и а п а зо н у и п огр еш н ости изм ер ен и я к и слор ода.
2. Двухмерные датчики
61
ет воспринимать температуру и давление в диапазонах от 40 до 150 °С и от
О до 2,42 МПа. П ьезокерам ический элем ент питается от источника посто­
янного тока, и изменение напряжения на нем несет информацию о тем пе­
ратуре. И зм ерение давления основано на пьезоэффекте. П роцесс измере­
ния разделен во времени.
С х ем а д в у х м е р н о го д а тч и к а , о с н о в а н н о го на м ето д е « п р и в е д е ­
ния», где в качестве чувствительного эл ем ен та использован нитевид­
ный кри сталл с о р и ен т ац и е й р о ст а < И 1 > , со сф о р м и р о ван н ы м и на
нем точ еч н ы м и о м и ческ и м и контактам и, показан а на рис. 3.4 [3.12].
У ч асток с провод и м остью р -ти п а такого м он о кр и стал л а служ и т тензочувстви тельн ы м элем ентом . У часток с р-п переходом используется
для и зм ерения тем п ературы .
И н тер есен п ер е стр аи ва ем ы й д в у х м ер н ы й д атч и к из м атер и ал а с
д о м е н н о й с т р у к т у р о й , в ы х о д н о й си гн а л к о т о р о г о ф у н к ц и о н а л ь н о
связан с нескольким и входны м и величинам и (деф орм ац и я и тем п ер а­
тура). И сп о л ь зо ван и е в к ач естве ч у в стви тел ь н о го эл ем ен та п о л яр и ­
зо в а н н о г о с е г н е т о э л е к т р и ч е с к о г о м а т е р и а л а — п ь е зо к е р а м и к и —
позволи ло создать датч и к, раб отаю щ и й одн о в р ем ен н о как в ген ер а­
торном (на основе п ьезоэф ф екта), так и в парам етри ческом реж им е.
П ри это м о к а з а л о с ь
в о зм о ж н ы м у п р а в л я т ь в
н ек о то р ы х п р ед ел а х п а ­
р ам етрам и датч и ко в вне­
ш ним п олем , и зм ен яя
п ь езо ч у в ст в и те л ь н о ст ь и
ряд э л ек тр о ф и зи ч ес к и х
х арактеристик [3.13] (м е­
то д « п ер естр о й ки » ). Д ля
построения такого рода
м н огом ерн ы х датч и ков
К^±Л Лр
Ст
и с п о л ь зу ю т с я с е г н е т о э л ек тр и к и групп ы ц и р к о Рис. 3.4. Конструкция датчика для измерения
механических усилий (Г) и температуры (Г):
н ата ти т а н а т а св и н ц а —
1 — м о н о к р и ст ал л крем н и я; 2 — / с и п ереход
ЦТС и н и обата ли ти я,
так как первы е из них позволяю т си н тезировать разн ообразн ы е виды
п ь езо к ер ам и к и , в том ч и сл е и п л ен оч н ы е [3 .4 ], а др у ги е, и м ею щ и е
вы сокую то ч ку К ю ри (до 1200 °С ), — р азр аб аты в ат ь вы с о к о тем п е­
р ату р н ы е м н о го м ер н ы е датч и ки .
62
ГЛАВА 3. М Н ОГОМ ЕРН Ы Е ДАТЧИКИ
Н а о сн о в е пленок Ц Т С п олучен ы датч и ки тем п ерату р и д е ф о р м а­
ций п о вер х н о сти объектов со сл едую щ и м и х арак тери сти к ам и ; н ач ал ь­
ная ем к о сть Сд» 500 пФ ; тан ген с угла п отерь 1§б < 0 ,0 2 ; п ьезом одуль
I 8 ,0 ... 10'’'^ К л/ Н; ч у в ст в и те л ь н о ст ь 10* В /м ; раб о чи й д и ап азо н
ч асто т 10“'...» 1 0 * Гц; раб о ч и й д и а п азо н те м п ер ату р - 5 0 ...2 5 0 °С и
деф о р м ац и й 1 0 '* . . . 1 0 ^’ о тн о с и тел ь н ы х ед и н и ц деф орм ац и й ; п лощ адь
» 3 м м ’; тол щ и н а » 0,5 мм.
Д вухм ерны й датчик для наблю дения за динамикой роста и тем п ера­
турой растений (рис.3.5) вы полнен в виде полимерной пленки, на повер­
хность которой вакуумной сублимацией последовательно нанесены слои
первого электрода, органического пьезоэлектрического м атериала (н а
основе полициклических соединений) и второго электрода [3.13]. М ного­
м ерны й датчик с помощ ью клеящ ей структуры основания обверты вается
вокруг стебля и закрепляется на нем. П рирост стебля по толщ ине вы зы ва­
ет деф орм ацию пьезоэлем ента и возникновение на нем электрического
заряда.
И зм енен и е ж е тем п ер а­
ту р ы и зм е н я е т э л е к т р и ч е с ­
кую п роводим ость (ем кость)
п ь езо эл ем ен та.
П е р с п е к ти в ы и с п о л ь зо ­
ван ия п ь е зо м а т е р и а л о в при
со здан и и м н о го м ер н ы х д а т ­
чиков обусловлены их следу­
ю щ и м и д о с то и н ствам и :
• высокой технологичнос­
тью , так как они м огут быть
Рис. 3.5. Конструкция датчика для измерения
изготовлены в виде элем ента
динамики роста (с) и температуры (Г):
/ — п о ли м ерн ая п лен к а. 2. 4 — эл ек тр о д ы , 3 — п ье зо э л ем е н т
лю бой формы и лю бы х разме­
5
ров;
• возм ож ностью изготовления элем ентов с помощ ью интегральной
технологии, в том числе и тонкопленочной;
• вы сокой стойкостью к возд ей стви ю агресси вн ой среды ;
• х о р о ш ей рад и ац и о н н о й сто й ко стью ;
• вы соким тем п ер ату р н ы м д и а п азо н о м эк сп л уатац и и ;
• м алы м уровн ем ш ум ов Н ай к ви ста и вы сокой п о м ех о за щ и щ е н ­
н остью ;
3 2. Двухмерные датчики
^5
• отсутствием дополнительны х источников энергии при преобразова­
нии деф орм ации в электрический сигнал;
• вы сокими м етрологическим и характеристикам и при преобразова­
нии м еханической энергии в электрическую .
Б ольш ие перспективы при создани и м н огом ер н ы х датчи ков и м е­
ю т п о л у п р о в о д н и к о в ы е м атер и ал ы . Э л е к тр и ч ес к и е х ар а к тер и с ти к и
этих м атери ал ов зави ся т от м н ож ества внеш них ф акторов: те м п е р а­
туры , вл аж н ости, о св ещ ен н о сти , д е ф о р м ац и и , газо в о го со става, н а­
п р яж енн ости м агн и тн о го поля, рад и ац и и и др. Д атчи ки такж е м о ж ­
но изготовлять по отработанной и н теф ал ьн о й технологии. В частности,
использование электронной рентгеновской ф отолитограф ии позволяет
получать датчики, небольш ие по разм еру и массе. М иниатю рны е р азм е­
ры чувствительного элем ента, в свою очередь, определяю т их хорош ие
частотные свойства, а групповой способ производства, вклю чая автом а­
тическую настройку п арам етров элем ентов датчиков, обеспечивает низ­
кую стоимость. Кром е того, полупроводниковы е м атериалы имею т вы со­
кую степень чистоты, что является основой для создания м ногомерны х
датчиков с достаточно вы соким и м етрологическим и характеристиками.
Н априм ер, был создан п ерестраиваем ы й датчик атм осф ерного давле­
ния и температуры воздуха, основанны й на эф ф екте поперечной пьезо­
ЭДС (рис. 3.6) [3.15]. П ри анизотропной деф орм ации в тензоре электро­
п роводн ости герм ан и я для крем н и я возн и каю т н еди агон альн ы е
компоненты, и при пропускании тока в направлении одного из рёбер пря­
моугольного образца на противополож ных перпендикулярных гранях воз­
никает разность потенциалов, назы ваем ая поперечной пьезоЭДС — V.
Э та пьезоЭДС с учётом отнош ения сторон прямоугольного тензорезистивного слоя и ш ирины потенциальны х контактов выведена в работе [3.16]
на основе аналогии краевы х задач теории холловских пластинок:
и = ц Ш / ка,
где с/— интенсивность распределённого давления;
к — толщ и н а тен зо р ези сти вн о го слоя;
к — коэф ф ициент, зави сящ и й о т соотн ош ен и я р азм ер о в те н зо ­
п р ео б р азо в ат ел я и к он так тов;
я — к ом п он ен т те н зо р а соп роти влен и я;
а — эл ек тр о п р о в о д н о ст ь м атер и ал а ч у в стви тельн о го эл ем ен та
датч и ка;
/ — сила тока.
64
ГЛАВА 3. М Н ОГОМ ЕРН Ы Е ДА ТЧИКИ
^
■■
^1 . Ер
®
Как показали исследования, ак­
тивное сопротивление такой структу­
ры им еет ярко вы раж енную зависи­
м ость от тем пературы [3.15].
По результатам испы таний и по­
верки 1 0 образцов датчика получены
следую щ ие о сн о в н ы е тех н и чески е
характеристики;
рабочий диапазон измерения
давления от 39,2 до 9,8 кПа;
б) ф у н к ц и я п р е о б р а з о в а н и я
давления в электрический сигнал —
и н д и в и д у ал ь н ая , вида:
Н{р) = а + Рр,
где 11{р) — вы ходное напряж ение;
а — н ач ал ьн ая со ставл яю щ ая н а­
п ряж ен и я;
Р — постоянны й коэф ф ициент, ха­
р а к те р и зу ю щ и й ч у в с т в и т е л ь ­
Рис. 3.6. Конструкция датчика
н ость п р ео б р азо в ат ел я;
атмосферного давления
р — изм еряем ое давление;
и температуры:
в) основная п огреш ность изм е­
I — ц и л и н д р и ч еск и й корпус; 2 — воздуш ны й
п р о м еж у т о к ; 3 — п р и ж и м н а я р е з ь б о в а я втул ка;
р ен и я д а в л е н и я в р аб о ч е м д и а п а ­
4 — элек три ческ и е вы воды и н тегр аль н о го п ье­
зоне ±5 %;
з о п р е о б р а зо в а т е л я 9. 5 — т о к о с ъ е м н и к н з ф о л ь г н р о в ан н о го стек л о тек сто л и та с контактн ы м и
г) рабочий диапазон измерения
п л о щ а д к а м и Л ,, 7 — о г р а н и ч и т е л ь н а я т р у б к а ;
Я — эл е к тр и ч е с к и й в ы х о д н о й каб ел ь
тем пературы от - 4 0 до +40 “С;
д ) н о м и н ал ьн ая ф ун к ц и я п р е о б р а зо в а н и я т е м п е р ат у р ы в э л е к т ­
р и ческий сигнал — и ндивидуальная, вида:
К{Т) = К^е
,
г д е К (Т ) — т е к у щ е е с о п р о т и в л е н и е п р е о б р а з о в а т е л я п р и т е м ­
п е р а т у р е Г;
Кд— начальное соп роти вл ен и е при тем п ерату р е
О °С;
у — постоянная определяем ая свойствам и м атериала чувствитель­
ного э л ем ен та датч и ка;
е) о с н о в н а я а б с о л ю т н а я п о г р е ш н о с т ь и зм е р е н и я те м п е р а т у р ы
± 1,5 °С;
ж ) кли м атическое и сполнение датчика У Х Л З по Г О С Т 15150-73;
3- 3. Треххмерные д а тч и к и ________________________________________
^5
з) питание датчика — источник постоянного тока 5 ± 0,25 В;
и) габаритны е разм еры — М 12 х 45 мм.
Д атчик м ож н о п ри м ен ять для и зм ерен и я и ко н тр о л я п ар ам етров
во зд у х а при а г р о м о н и то р и н ге и в други х си с те м а х д и с тан п и о н н о го
кон троля в о зд у ш н о -га зо в ы х сред.
К р о м е того, бы л и зго то вл е н п ер естр аи ваем ы й датчи к на о сн о ве
с ер и й н о вы п у с к аем о го б е ск о р п у сн о го п о л у п р о во д н и к о во го э л е м е н ­
та — к рем ниевого стаб и л итрон а [3.17], что позволило сократи ть за т ­
раты на и зго то в л е н и е. О н п р ед н азн а ч е н для и зм ер ен и я д а вл е н и я и
те м п е р ат у р ы . В дан н о м сл у ч ае и сп о л ь зо в а л а сь за в и си м о ст ь н а п р я ­
жения стабилизации от м еханических напряж ений и температуры. П ри
п рям ом вк л ю чен и и с т аб и л и т р о н а п ад ен и е н ап ряж ен и я на нем за в и ­
село от изм енения тем п ературы , т. е. стаб и л итрон в одн ом из р еж и ­
мов работал как терм од и од. Б ы ло п рим ен ен о вр ем ен н о е разделен и е
кан алов и зм ерен и я (п о сл ед о ва тел ь н о е п ерекл ю ч ен и е р еж и м ов р аб о ­
ты — м етод «перестройки»), и не только измерялись две величины, но
и в ы п о л н ял а сь т е м п е р а т у р н а я к о р р ек ц и я при и зм ер е н и и д авл ен и я .
Д атчи к во сп р и н и м ал д ав л ен и е в д и ап азо н е от О до 4 ,8 1 0 * П а
(погреш ность 2 % ) и температуру от 20 до 80 °С (погреш ность ±0,5 °С).
Габаритны е разм еры чувствительного эл ем ен та составили 1x1x3 м м ’.
К р ом е п ь езо эл ек тр и ч еск и х , к ер ам и ч еск и х и п о л у п р о во д н и ко вы х
м ате р и ал о в для р а зр а б о т к и м н о го м ер н ы х д а тч и к о в м о гу т б ы ть р е­
ком ен дованы вол ок о н н о -о п ти ч еск и е п реоб разовател и . М алы е р азм е­
ры св ето в о д о в (д и ам етр о м до н ескольки х м км ), н еч у встви тел ьн о сть
к э л е к т р о м а г н и т н ы м п о л ям , со в ер ш е н н а я эл е к т р и ч е с к а я и зо л яц и я,
о т с у т с т в и е д о п о л н и т е л ь н ы х и с т о ч н и к о в д л я п е р е д а ч и и зл у ч е н и я ,
вы со к и е о п ти ч ес к и е и м ех ан и ч ес к и е св о й ств а п о зв о л яю т со зд авать
д атчи ки с вы сокой чувствительн остью к изм еряем ы м величинам , на­
д е ж н о с ть ю и м е х а н и ч е с к о й п р о ч н о сть ю . С т о й к о с ть к во зд ей с тв и ю
х и м и ческой среды , вы сок ая гибкость, уп р у го сть и ж естко сть сн и ж а­
ю т требован ия к конструкции датчи ка и затраты на их изготовление.
3 .3 . Т Р Е Х М Е РН Ы Е Д А Т Ч И К И
В л и те р ату р е не бы ло о б н ар у ж ен о оп и сан и е к о н стр у к ц и й тр е х ­
м ер н ы х д а тч и ко в . Н иж е р а с см ат р и в аю т ся д а тч и к и , р азр аб о тан н ы е
на о сн о в е п р о в е д ё н н о го п о и с к а н овы х с о в о к у п н о с т е й ф и зи ч ес к и х
явлений (гл. 2, И -И ЛИ граф — рис,2.14). В результате этого поиска были
Рис. 3.7. Конструкция датчика для измерения давления (Р), температуры (Т)
и относительной влажности воздуха (ф):
/ — а л ю м и н и ев ы й зл е к т р о л ; 2 — к о н т ак тн ая п ло щ а д ка ; 3 — п л ё н о ч н ы й т ер м о р е зи с т о р ; 4 —
к р ем н и е вая м е м б р ан а, 3 — о к и с ь ал ю м и н и я , Л — си т а л л о в а я п о д л о ж к а
получены более 1 0 новых совокупностей ф изических явлений для тр ех ­
м ерны х селективны х и парам етрических датчиков тем пературы , м ехани­
ческих парам етров и отн осительной влаж ности. П ри синтезе больш ин­
ства н овы х принципов трехм ерны х датчиков кроме трех ограничений
(«ярусное», «технологическое», «приоритет по верш инам») задавался пер­
вый критерий «совместим ости».
Т рехм ерн ы й селективны й датчик (рис. 3.7) вклю чает в себя м ем ­
б ран у в виде к р ем н и ево й п л асти н ы , п ол учен н ую ан и зо тр о п н ы м на­
п р ав л ен н ы м тр а в л е н и е м , си т а л л о в у ю п о д л о ж ку , н а к о то р у ю м е т о ­
дом вакуум н ого нап ы лен ия н ан есен а сл ои стая структу р а, со сто яш ая
из м е т а л л и ч е с к о г о эл е к т р о д а , ги гр о с к о п и ч е с к о г о м а т е р и а л а на о с­
н ове о ки си алю м иния и пл ати н ового п л ен оч н ого т е р м о м ет р а со п р о ­
ти влен и я, вы полненного в ф орм е м еан д ра [3.18]. М ем б р ан а вм есте с
этой слои стой структурой закреп лен а в корпусе с пом ош ью ситаллоцем ента. Н иж няя п оверхн ость м ем бран ы и верхняя п о вер х н о сть т е р ­
м о м е тр а о б р а зу ю т ем к о стн ы й п р е о б р а зо в а т е л ь д авл ен и я , а ниж няя
п о в е р х н о сть те р м о м ет р а со п р о т и в л ен и я , ги гр о с к о п и ч ес к и й м ате р и ­
ал и эл ек тр о д — ем к о стн ы й п р ео б р азо вател ь влаж н о сти воздуха.
3. Треххмерные датчики
67
На рис. 3.8 показана конструкция трехм ерного селективного датчика
этих же величин [3.19], содерж ащ ая пьезокерам ический элем ен т в виде
полого цилиндра, на внутренню ю поверхность которого методом вж игания нанесен сплош ной слой серебряного электрода, а на внеш ню ю —
два других слоя (для обеспечения диф ф еренциального вклю чения пьезо­
элем ента в усилительно-преобразую щ ее устройство).
Рис. 3.8. Конструкция датчика для измерения давления {Р), температуры (7)
И относительной влажности воздуха ((р);
/
м е м б р ан а. 2 — м ед н ы й т о к о с ъ е м н и к . 3, 4. 14 — эл ек тр о д ы п р е о б р а з о в а т е л я д ав л е н и я. 3 — чувс г в ш е л ь н ы й э л ем е н т вл а ж н о ст и (о к и с ь ал ю м и н и я), 6 — э л ек тр о д эл ем е н т а вл а ж н о ст и ,
— токопро­
водящ и й корпус,
— у п орн ая втул ка, 9 — р езьб о в ая втулка, 10 — вы ход н ой кабель, I I — хво с то в и к .
12 - п ер ех о д н ая гай к а. ! 3. 14 — эл ек тр и ч е ск и е в ы в о д ы э л ем е н т а в л а ж н о ст и , 15 — к о н ст а н т ан о в ы й
терм озлектрол
На п ь езо эл ем ен т н анесены слой ги гр о ск о п и ч еск о го м атер и ал а и
слой т о к о п р о в о д я щ его эл ек тр о д а, п р о н и ц аем о го для м олекул воды.
М едны й то к о съ ем н и к , кон такти рую щ и й с внутр ен н ей п о верхн остью
пьезоэлем ента, вы п ол н яет дополн ительн ую ф ункцию одного из эл ек ­
тр о д о в те р м о п а р ы и и м еет к о н так т с то к о п р о в о д я щ ей м е та л л и ч е с ­
кой мем браной. К нему припаян константановы й терм оэлектрод. Узел
п одж ати я эл ем ен та с о с то и т из р езьб о в о й и у п о р н о й вту ло к и п ер е­
ходн ой гайки. Д ля и зм ер ен и я д а вл е н и я и сп о л ь зу ет ся п ь е зо э л е м е н т
ц и линдрической ф орм ы , работаю щ ий с деф орм ац и ей сдвига. И н ф о р ­
68
ГЛАВА 3. М Н О ГО М ЕРН Ы Е ДА ТЧИКИ
м ация о температуре сним ается с терм оэлектрода и электрического вы во­
да, соединенного с корпусом. М олекулы воды, попадая в корпус, абсор­
бирую тся гигроскопическим м атериалом и изм еняю т его электрические
характеристики.
Д ругая конструкция трехм ерного датчика температуры , давления и
относительной влажности воздуха показана на рис. 3.9. В дан н ом сл у ­
чае на м ем бране сф орм и рован пленочны й тен зорези сто р из константан а, ко торы й и м еет д в е ко н так тн ы е площ ад ки [3.20]. О дн а из них
и зго то в л е н а из м еди и о б р а зу е т с т е н зо р е зи с то р о м « го р яч и й » спай
терм оп ары . Н а тен зорези стор нанесен слой ги гроско п и ч еско го м ате­
р и ал а (о ки сь алю м ин ия с ал ю м и н и евы м эл ек тр о д о м ), п р ед н азн ач ен ­
ный дл я съ ем а и зм ери тел ьн ого си гн ал а об отн о си тел ьн о й вл аж н о с­
ти возд у х а.
3
4
о о
Сф
0
0
ет.
Кр
Рис. 3.9. Конструкция датчика температуры (Г), давления (Р)
и относительной влажности воздуха (ф);
I — к о н так тн ая м ед ная п л о щ а д к а . 2 — э л е к т р о д , 3 — о к и с ь ал ю м и н и я, 4 — к о н ст а н т ан о вы н элекпгрод; 5 — м е м б |я н а
П ри поиске новых принципов действия трехм ерны х датчи ков уда­
лось ф о рм али зовать и п рим ен ить м етоды разделен ия входны х вели­
чин путем д о п о л н и тел ьн ой детал и зац и и сем ан ти ч еско й зап и си конк­
ретн ого м етода и прим енением в соответстви и с этой детализацией
к р и тер и ев и о гр ан и ч ен и й .
Д етали зация сем ан ти ч еской зап иси м етод а приведен и я при п оис­
ке совокупностей ф изических явлений м ногом ерны х селективны х д ат­
чи ков п р о и зво д и тся сл едую щ и м о бразом :
69
3. 3, Треххмерные датчики
1)
чувствительны е элем енты для каж дой изм еряемой величины из­
го то вл я ю т в виде последовательной цепи изм ерительны х преобразовате­
лей;
2 ) в к ач естве о к о н еч н о го и зм ер и тел ьн о го п р ео б р азо вател я
для
всех и зм ер яем ы х вел и ч и н п р и м ен яю т един ы й ти п п р ео б р азо вател я,
которы й и сп о л ь зу ет од н о ф и зи ч ес к о е явл ен и е и ф о р м и р у ет вы х о д ­
ной сигнал в виде еди ной однородной по своим свойствам электри­
ческой величины ;
3) один из оконечны х п реобразователей в м н огом ерном датчике
непрем енно использую т для восприятия и преобразования и зм ери ­
тельны х си гналов, п рисущ их одной из и зм еряем ы х величин.
П ри вед ен н ая вы ш е сем ан ти ч еская зап и сь ф о р м ал и зо вал ась пу­
тем задан ия «ярусн ого» огр ан и ч ен и я и огр ан и ч ен и я « п р и о р и тет по
вер ш и н ам ».
В к о н стр у к ц и и тр е х м е р н о го се л ек ти вн о го д а тч и к а на рис. 3.10
в качестве ок онечного изм ерительного преобразователя датч и ка при­
менен ф отоэлем ент [3.21]. И зм енение давления приводит к перем ещ е­
нию м ем браны 5 и изм енению радиуса и згиба световода 8, что изм е­
няет его светопропускание и соответственно характеристики прием ника
излучения 2. И мпульс ультраф иолетового излучения через световод 9
вы зы вает свечение л ю м и н оф ора /О, интенсивность которого однозначно
5
6
7
8
9
10
Рис. 3.10. Консчрукция датчика давления, температуры
и относительной влажности воздуха:
/ — к о р п у с , 2, / 2 , / 5
п р и ё м н и к и зл у ч е н и я; 2. й. Л. 9, / / — во л о к о н н ы й
св е т о в о д , 4 — и ст о ч н и к и зл учен и я. 5 — м е м б р ан а, 7, Ю — сл о й л ю м и н о ф о р а.
13 — о сн о в а н и е. 14 — разъ ём
70
ГЛАВА 3. М Н О ГО М ЕРН Ы Е ДАТЧИКИ
зависит от температуры. А налогичны м образом импульс излучения ис­
точника через световод б поступает на слой лю м и ноф ора 7. И нтенсив­
ность этого импульса зависит от относительной влаж ности воздуха.
В трехм ерном селективном датчике (рис. 3.11) в качестве оконечного
изм ерительного преобразователя использован индуктивный преобразо­
ватель [3.22]. М ем брана такого датчика вы полнена из крем ниевой плас­
тины . Н а осн овании закреп лен ы тр и сердечн ика индуктивны х п рео б­
разователей. В центральной части м ем браны над сердечником первого
и ндуктивного п реобразователя на нее нан есен слой м агн и тн ого м ате­
риала.
Р ис.ЗЛ Г Конструкция датчика давления, температуры
и относительной влажности воздуха:
I — корпус, 2 — о сн о в а н и е, 3, / 2 , 13 — с е р д еч н и к , 4, I I , 15 — о б м о т к а , 5 .
/ О — сл о й
м а гн и тн о го м атери ала; 6 — слой тер м о я е ф о р м а ц и о н н о го м атер и ал а. 7 — м ем бран а,
9 — сл о й ги гр о д е ф о р м а ц и о н н о г о м а те р и а л а, / 4 — разъ ём
Н ад другими сердечникам и на м ем бране в зоне м иним ум а деф орм а­
ций нанесены слои соответственно терм одеф орм ационного и гигроде­
форм ационного материалов, на которые, в свою очередь, нанесены слои
м агнитного материала.
И зм е н е н и е а л г о р и т м а м е т о д а « и с к л ю ч е н и я » п о з в о л и л о н ай т и
новую со в окуп н ость ф и зи ч ески х явлен и й в тр ех м ер н о м датч и ке для
измерения светового потока, температуры и давления, в котором све­
71
3 3. Треххмерные датчики
товой поток «исключался» с помощью мембраны с электрооптическим зат­
вором, а давление — с помощью введенного в датчик дополнительного
пьезоэлемента, который «отгибал» мембрану (за счет обратного пьезоэф ­
фекта) от чувствительного элемента (рис. 3.12) [3.23].
3
6
7
8
9
10
температуры и энергии электромагнитного излучения:
/ — о сн о в а н и е, 2 — к о р п у с. 5, / / — э л ек тр о д ы к о л ь ц ев о го п ье эо эл е м ен т а 13, 4 —
м е м б р ан а. .5, И) — э л ек тр о д ы э л ек тр о о п т н ч еск о го за т в о р а У,
Л. 12 — эл ектрод ы
ч у в с т в и т е л ь н о г о э л е м е н т а Л’. 7 — сл о й в е щ ест в а , п о г л о щ а ю щ е г о эн е р ги ю э л ек тр о м а г н и г н о г о и зл учен и я, Ы — э л ек тр и ч е ск и й р азъ ем
С и н тез п ри н ц и п ов д ей стви я тр е х м е р н ы х п ер естр аи ваем ы х д а т ­
чиков осущ ествл ял ся путем м ин им изац ии «ярусн ого» огран и ч ен и я и
задан и я « тех н о л о ги ч ес к о го » огр ан и ч ен и я, за к л ю ч аю щ его ся в вы ­
боре при нцип ов дей стви я селективны х датч и ков с полн остью и ден ­
ти ч н ы м и м ате р и ал ам и .
Н ап рим ер, кон струкц ия одн ого из тр ех м ер н ы х п ер естр аи ваем ы х
датчиков приведена на рис. 3.13 [3.24]. П роцесс измерения трёх вели­
чин разделён во врем ени. П ри изм енении давл ен и я м ем бр ан а п ро ги ­
бается и вы зы вает появление зарядов на пьезоэлем енте. П ри изм е­
рен и и о тн о с и тел ь н о й вл аж н о сти во зд у х а на п ь езо э л ем ен т п о д ается
стаб и л ьн ы й п ер ем ен н ы й ток. В л а га со р б и р у ется п ори сты м п ь езо э ­
лем ентом , его диэлектрические характеристики изменяю тся, и воз­
ни каю щ ее п ад ен и е н ап ряж ени я на нем за в и си т о т отн о си тел ьн о й
влаж ности воздуха. П ри изм ерении тем п ературы п ьезо эл ем ен т рабо-
72
ГЛАВА 3. М Н ОГОМ ЕРН Ы Е ДАТЧИКИ
тает как пассивны й элемент, поскольку активное его сопротивление за­
висит от температуры.
Сочетание критериев совм е­
стим
ости и обязательности с дру5
гим и
ограничениям и
дает
во зм о ж н о с ть п о ст р о ен и я тр е х ­
м ерного перестраиваем ого датчи­
ка освещ енности, температуры и
относительной влаж ности возду­
ха (рис. 3.14) [3.25].
Ч увствительны й
элем ент
этого п ерестраи ваем о го
м но­
гом ерного датчика п редставля­
ет собой ф отоэл ем ен т струк­
туры м еталл — д и э л е к т р и к —
м еталл (ти тан — двуоки сь ти ­
т а н а — зо л о т о ), вы п о л н е н н ы й
Рис. 3.13. Конструкция датчика давления,
в виде п л ен о ч н о го к о н д е н с а­
температуры и относительной влажности
воздуха:
тора. В ерхняя обкладка имеет
/ — корпус, 2 . 5 — се р еб р я н ы е эл ек тр о д ы , 5 —- п ори сты й
ф орм у м еандра и является пле­
п ь е зо к ер ам и ч е ск и й э л ем е н т , 4 - м е м б р ан а, й - узел п одж ати я п ь е зо э л е м е н т а , 7 — т о к о с ъ е м н и к - э л е к тр о д
ночн ы м т е р м о м ет р о м со п р о ­
ти в лен и я. И зм ен ен и е акти в­
н ого со п р о т и в л ен и я этой о б к л ад к и за в и с и т о т и зм ер яе м о й т е м п е ­
ратуры . П ри изм ерен ии влаж н ости вл ага сорб и руется дву о ки сью
ти тан а, его д и эл е к т р и ч е ск и е с в о й ств а изм ен яю тся. И зм ен ен и е ем ­
кости чувствительного эл ем ен та связан о с отн оси тел ьн о й влаж н о ­
стью воздуха. П ри изм ерении освещ ен ности в систем е м еталл — д и ­
эл ек тр и к — м еталл в о зн и к ае т ф о то эф ф ек т. Д л и н а волн ы п о гл о щ е­
ния эл ек тр о н о в , со зд аю щ и х ф о то эф ф ек т, м ала. Э л ектр о н ы , в о зб у ж ­
д аем ы е у п о верхн ости границ ы м етал ла с ок и сл о м , п р о н и к аю т в
д и э л е к т р и к (ч е р ез т р а п е ц е и д а л ь н ы й б ар ьер э то й с и с те м ), и на о б ­
к л ад к ах ч у в ст в и те л ь н о го э л е м е н т а в о зн и к а е т ЭД С .
В за кл ю ч ен и е о стан о ви м ся на н ек оторы х п ер с п ек т и ва х и сп о л ь­
зо ван и я м н о го м ер н ы х датч и ко в .
В о зм о ж н о сть пол учен и я с п о м о щ ью м н о го м ер н ы х д а тч и к о в ин­
ф о р м ац и и о н еск о л ь к и х вх о д н ы х ве л и ч и н ах , д е й ст в и е к о то р ы х со ­
средо то чен о в отн оси тельн о небольш ом пространстве, о п р ед ел яет их
4
3, Треххмерные датчики
73
использование при реш ении ряда научно-исследовательских и производ­
ственны х задач.
Рис. 3.14. Конструкция датчика для измерения освещенности,
температуры и относительной влажности воздуха;
/ — с и т ал л о в ая п о д л о ж к а, 2 — т и т а н о в а я о б кл ад ка, 3 , 6 , 7 — к о н т ак тн ая площ ад ка,
4 — д в у о к и с ь т и т ан а, 5 — зо л о т о й п л ё н о ч н ы й т е р м о р е зи с т о р
В заи м н ая ко р р ек ц и я си гн ал о в при и зм ер ен и и н еско л ьки х ф и зи ­
ческих величин м ож ет сп особствовать п овы ш ен и ю точн ости и зм ер е­
ния этих вел и ч и н и п р ак ти ч ес к о м у и сп о л ь зо в а н и ю ч у в стви тельн ы х
э л ем ен то в из « н естаб и л ьн ы х » м ате р и ал о в , для ко то р ы х х ар а к тер н а
вы сокая чувстви тельн ость. Зам етим , что п ри м ен ен и е таких м атер и а­
лов в обы чны х датчиках весьм а ограничено. Е диная технология про­
и зводства ч увстви тельн ого эл ем ен та и и зм ерительн о-п реоб разую щ ей
части м ногом ерн ого датч и ка позволяет создать техн и чески е средства
с р асш и рен н ы м и возм ож н остям и .
В м едицинских и сслед ован и ях при оценке ф ун кц и он альн ого со ­
стояния пац иен та такж е возникает н еоб ходи м ость изм ерять н есколь­
ко входны х величин (соп роти влен и е эл ек три ч еско м у току, би о эл ект­
рические потенциалы и др.). Такая проблем а возникает при диагностике
различны х заболеваний биоф изическим и методами исследования, когда
необходимо изм ерять несколько ф изических величин в локальной облас­
ти участка исследуем ой ткани [3.2]
П одобные задачи необходим о реш ать и при диагностике состояния
различных маш ин и механизмов [3.2]. Н апример, при исследовании ра­
бочего процесса в двигателе внутреннего сгорания необходим о изм е­
рять в камере сгорания статическое и динамическое давление, темпера­
туру в м омент восплам енения топлива, концентрацию кислорода и ряд
других величин. Такого рода задачи не могут быть реш ены с помощ ью
традиционных датчиков и средств измерений. В этом случае необходим
_______________________________________ ГЛАВА 3. М Н ОГОМ ЕРН Ы Е ДА ТЧИКИ
многомерный датчик, элементы которого конструктивно размещ аю тся в све­
че зажигания и позволяют воспринимать несколько величин.
М н огом ерны е датч и ки м огут найти п рим енен ие в м аш и н о стр о е­
нии при д и агн о сти к е со с то ян и я разли ч н ы х м аш ин и м ех ан и зм о в; в
сел ьско м х озяй стве при р азр аб о тк е м етод ов коли ч ествен н о й оценки
вл и ян и я р азл и ч н ы х ф а к то р о в на р азв и ти е , со с то ян и е и п р о д у к ти в ­
ность посевов; в м едицине и ветери нари и при диагности ке ф ун кц и о­
нальн ого состояни я и различны х забол еван и й чел о века и ж и вотны х;
в к о см и ческой и ав и ац и он н ой п р о м ы ш л ен н ости при и зм ерен и и р аз­
л и чн ы х вели чин и вы даче си гн ал о в ав ари й н ой ситуации.
П р и вед енны е прим еры не ох ваты в аю т возм о ж н о сти при м ен ен и я
м н о го м ер н ы х датчиков. О ни п од твер ж д аю т ц ел есо о б р азн о сть работ,
нап равлен ны х на создание и и спользование м ногом ерн ы х датчиков,
п о зво л яю щ и х п о л учи ть и н ф о р м ац и ю о н еско л ьки х и зм ер яем ы х ве­
л и чи н ах с м алы х по о бъ ем у участко в о бъ екта исслед о ван и й , у м ен ь ­
ш и ть вл и ян и е к о н струк ц и и д а тч и к о в н а п р о ц ессы , п р о текаю щ и е в
этом объ екте, и повы сить точ н ость изм ерения к онкретн ой величины
за сч е т в о зм о ж н о с ти к о р р ек ц и и д о п о л н и т е л ь н ы х п о г р е ш н о с т е й от
во зд ей стви я других величин.
В настоящ ее время м ногом ерны е датчики создаю тся для конкрет­
ных прим енений. И з анализируем ы х источников не вы явлено их се­
р и й н о е и зго то вл ен и е. Ш и р о к о м у п ри м ен ен и ю м н о го м ер н ы х д а т ч и ­
ков препятствую т невысокие м етрологические характеристики созданных
в практике м ногом ерны х датчиков.
3. 4. К О РРЕКЦ И Я П О Г РЕ Ш Н О С Т ЕЙ И ЗМ Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Х СИ ГН АЛ О В
МНОГ О М Е Р Н Ы Х Д А Т Ч И К О В
О ц е н к а п о г р е ш н о с т е й и зм е р е н и я н ес к о л ь к и х в е л и ч и н с п о м о ­
щ ью м н о го м ер н ы х д а т ч и к о в и м е е т с л е д у ю щ и е сп е ц и ф и ч е с к и е
особенности:
во-первы х, в этом случае изм ерению подлеж ит ряд ф изических
величин
Х^, ... X
каж дая из которы х м ож ет с одной сторон ы ,
являться изм еряем ой величиной, а с другой — влиять на процесс из­
м ерен и я лю бой другой вели чины ;
во-вторы х, сущ ествует р е а л ь н а я в о зм о ж н о с т ь определения эк­
сп е р и м е н та л ь н ы м или р ас ч е тн ы м путем за в и с и м о с т и п о гр еш н о ст и
каж дой величины от влияния други х величин;
3, 4. Коррекция погрешностей измерительных сигналов многомерных датчиков
в-третьих, восприятие всех величин м ож ет проводиться одноврем ен­
но и непрерывно.
П оэтому в данном случае при создании таких датчиков с высокими
метрологическими характеристикам и применимы теоретические аспек­
ты м етодов вспом огательны х измерений, основанны е на автом атичес­
кой коррекции погреш ности лю бы х измерительных устройств [3.27].
О тличительны м признаком таких м етодов является обеспечение
им и п р и б л и ж ен и я р е а л ь н о й с т а т и ч е с к о й ф у н к ц и и п р е о б р а зо в а н и я
и зм ер и те л ьн о й си стем ы к н о м и н ал ьн о й х ар а к тер и с ти к е п р ео б р аз о ­
ван и я под в о зд ей с тв и е м к о р р ек ти р у ю щ его си гн ал а. Д ля м ето д о в
вспом огательны х изм ерений характерны инструм ентальны е погреш ­
ности коррекции. Б лок-схем а системы с м ногом ерны м датчиком , со ­
держ ащ им автом атическое введение поправок, показана на рис. 3.15.
П ри рассм отрении погреш ности систем ы с м ногом ерны м дат­
чиком п рим ем , что и зм ер яе м ы е величин ы X, = 1 , 2 ...п и зм ен яю тся
весьм а м едленно и поэтом у динам ические свой ства изм ерительны х
устройств (И У ) л ю б ой величи ны А" и вы ч и сл и тел ьн о го у стр о й ств а
Рис. 3.15. Блок-схема измерительной системы с многомерным датчиком,
содержащим автоматическое введение поправок
76_______________________________________ ГЛАВА 3. М Н ОГОМ ЕРН Ы Е ДА ТЧИКИ
Рассм отрим работу системы на прим ере изм ерения определенной
величины Х^.
В лияние величин Х^, А'^, ... А вы зы вает п о ф е ш н о с т ь изм ерения
И У |, вы х о д н ой си гнал которого о п и ш ется ф орм улой
Г, = /-(А ,) = /-„(А, ) + Дй, ,
(3.1)
где /■ (ХД — реальная статическая ф ункция п реоб разован и я И У;
(ДЦ
Дй| —
П усть
влияю щ их
— н ом ин альная х ар а к тер и с ти к а п р еоб разован и я ИУ;
погреш ность И У |, приведенная к выходу.
Дй| есть известная ф ункция изм еряем ой величины Х^
величин Д ,, Х^,..., Х^:
(Х^, ..., Д , Д,).
и
(3.2)
В ы ходны е сигналы 2^, 2 ,, ...,
, соответствую щ ие Х^, Д,, ..., Д , и
вы ходн ой скорректи рованн ы й сигнал
вводятся в ВУ, которое
вы ч и сл яет известную ф ункцию этих аргум ен тов с учётом ном и н аль­
ного зн ачен и я X ^ входной величины :
^
=/■„,"
О'*,)];
(3-3)
Е ( 2 ^ ,0 ,■ ■ ■ > г ,x ^ .
Ч .,„ =
в точке сум м ирования
Е образуется разность
( - ^, ) +
=
с (-^.) + д ^ ^ -
(3-4)
где
ДАЙ, - погреш ность коррекции, приведенная к вы ходу ИУ^.
Зн ачен и е АкЬ^ определяется п огреш н остям и изм ерения величин
Д 3,
..., Д ,устройствам и ИУ^, И У 3, ...,ИУ.. и соответствием пара­
м етр о в ф у н кц и и АЬ
, за л о ж ен н ы х в В У , п арам етр ам р еал ьн о й
ф ункции ДЬ| для данного ИУ^.
П о гр еш н о сть коррекции , п ри вед ен н ая ко входу ИУ^, о п р ед ел и т­
ся [3.27]:
АкЬ,
Р еал ь н у ю с т ати ч ес к у ю
пред стави ть в виде
7
где
— 1-й параметр
функцию
п р е о б р а зо в а н и я
И У м ож н о
а ц ’-> « р > -^3 , д „ ..., д , д ,),
(3.6)
статической
функции
преобразования ИУ
3. 4. Коррекция погрешностей измерительных сигналов многомерных датчиков 77
Н оминальная же характеристика преобразования вы разится в виде
(3,7)
- ном инальное значение величины X. (/ = 2,3 ... п).
С целью оценки эф ф ективности коррекции проведен расчет по­
греш ности м н огом ерн ого датч и ка относительн ой влаж н ости и те м ­
пературы воздуха, вы полнен ного в виде чувствительного кварц ево­
го элем ен та (по каналу и зм ерен ия влаж ности).
Н о м и н а л ьн а я х а р а к т е р и с т и к а ч у в ст в и те л ь н о го п ьезо с о р б и ц и о н ного элем ента 5КЗ. 184.025 ТУ в диапазоне изм ерения о тн оси тель­
ной влаж ности о т 0 , 1 до 60 % вы раж ается форм улой
где
Т
У,
(3.8)
где
» 5 кГц,
« 0,002 кГц %. Это означает, что при относительной
влаж н ости не более 0 , 1 % частота ч у в стви тельн о го п ьезо со р б ц и о н ­
ного эл ем ен та р ав н а 5 кГ ц, а его ном и нальны й ко эф ф и ц и ен т п р ео б ­
разования со ставл яет 2 0 Гц на единицу и зм ерен и я отн о си тел ьн о й
влаж н ости (% ). Т ак как реал ьн ая стати ч еская ф ункция п р ео б р азо ва­
ния (и соответственно зависи м ость погреш ности изм ерения влаж но­
сти от тем п ературы ) нелинейная, приходится у чи ты вать и квад р а­
ти чн ы й член этой зависи м ости:
Г = а, (\+ а Д Т + а Д Р ) + а, (1 + а^АТ+ а^АР) X.
(3.9)
О тклонение температуры среды на 10 °С от номинальной (20 °С)
в ы зы в а ет о тн о с и те л ь н о е и зм ен е н и е с т ати ч ес к о й ф ун кц и и п р е о б р а ­
зования на 1 %, а отн осительное квадратическое ее изм енение —
на 0 , 1 %, т.е.
=
«5
= 10“^ ед./ °С и а =
= 1 0 ^ ед./°С.
П огреш н ость чувстви тельн ого п ьезосорбц и он н ого элем ента, при­
веденная к вы ходу, рав н а
Ад= 'Г (а ,,
..., а^, АТ, X ) = а Д Т (а ^ + а,АТ) + а^АТУ (а , + а^АТ).
(3.10)
П усть составл яю щ и е п огреш н остей равны 1 % ,т, е. ба, = 0,01,
бАУз = 0 , 0 1 и ч у в стви тел ь н ы й п ь зо со р б ц и о н н ы й э л ем ен т э к сп л у а­
тируется в ди апазоне тем ператур от О до + 60 °С. Т огда АГ^^ = 40 °С.
Т огда п о гр еш н о сть эл ем ен т а при отсутстви и коррекции:
А = 5-40 (10-^+ 10-"-40)+ 0 ,0 0 2 А О Д Ю '^ - 10^- 4 0 )= 1 + 0,004У , а
при наличии к оррек ц и и э т а п огр еш н о сть состави т:
78
ГЛАВА 3. М Н О Г О М Е Р Н Ы Е Д А Т Ч И К И
А' = А я ,к с т1, та х + А„Кст1тях
,
=
0,001 +0,001 +40(0,0001 +0,0001 )0,01 +0,001 0,01+0,0001 40 0,01 +{0,001 +2 0,0001 )0,01
0,002 + 0,002 -40 (0 ,001+ 0,0001 -4 0 )
, , „ 2 (0,001 +0,0001 -4 0 )0 ,0 1 ++00,0001
,0 0 0 1 -0,01 + 0,0001 -4 0 -0
-( ,0 1 + 0 ,0 0 1 + 2 -0 ,0 0 0 1 -40
с 5 X 40 —
-------- :-----------1---------:------------------;-------------- ;------------- 40Д' =
1 + 40 ( 0,001 +0,0001 -4 0 )
= 0,01+ 0,00035Х .
Е сли сравни ть полученны е значения, то видно, что авто м ати ч ес­
кая коррекция м ож ет сущ ествен н о у м ен ьш и ть погреш н о сть чу встви ­
те л ьн о го п ьезо с о р б ц и о н н о го эл ем ен т а. С л ед у ет зам ети ть, что д а н ­
ны е р ас ч е та не п р о ти в о р е ч а т р е з у л ь т а т а м , п ол у ч ен н ы м в р аб о те
[3,27].
Т аки м о б р а зо м , п р и м ен ен и е м ето д о в ав то м ати ч ес к о й к о р р ек ­
ции п о гр еш н ости и зм ерен ия л ю б о й кон кретн ой и зм еряем о й вел и чи ­
ны м н о го м ер н о го д а тч и к а п о зв о л и т п овы си ть т о ч н о с т ь и зм ер ен и я
этой величины при условии реш ен ия задачи автон ом и зац и и величин
и теор ети ч еского или эксп ери м ен тал ьн ого вы явления зави си м ости ее
от други х и зм еряем ы х величин.
С П И С О К Л И Т ЕРА ТУ РЫ К ГЛ А В Е 3
3.1. А ле й н и к о в А. Ф. М етоды пол учен и я и н ф о р м ац и и от м н о го ­
ф ун кц и он альны х датчи ков // С оврем ен н ы е м етоды , ср едства и зм ер е­
ний и автом атизации для исследований ф изических проц ессов в сель­
ском хозяйстве; Сб. науч. тр. / РА С Х Н , Сиб. отд-ние. — Н овосибирск,
1993. — С. 3— 16.
3.2. Алейников А. Ф. А втом атизация измерительных сигналов в мно­
гомерных датчиках // Вестник Россельхозакадемии. — 2000. — № 3. —
С. 72— 74.
3.3. А лей н и к о в А. Ф., Ц а п ен ко М .П . М н о го ф у н к ц и о н ал ьн ы е дат­
ч и к и // И зм ер ен и я , к о н тр о л ь , а в т о м а т и за ц и я . — 1990. — № 2. —
С. 50— 57.
3.4. А лей н иков А. Ф. М ногоф ункциональны е датчики; М етоди чес­
кие рекомендации. — Новосибирск; Изд-во СО РАСХН, 1993. — 36 с.
1 5. Малогабаритные датчики температуры и деформации / А. И. Дрожж и н , А. А . Щ е т и н и н , Н . К . С е д ы х , Е . П . Н о в о к р е щ е н о в а ,
А . И. Д у н а е в / / П р и б о р ы и т е х н и к а э к с п е р и м е н т а . — 1 9 7 7 . —
№ 5. — С. 216— 218.
3.6.
Пат. № 3916877 С Ш А , М К И А 61 В 5/02, 5/04; О 01 К 7/12.
Д атчи к те м п е р ат у р ы и п у л ьса / Раи1 В е с к т а п , Ни11п§{оп У аП еу, Ра
Список литературы к главе 3____________________________________________________^
(У 8 А); и . 8 . 8иг§ка1 СогрогаОоп ( и 8 А). — № 409382; Заявлено 23.10.73;
О п у б л . 4 .1 1 .7 5 //И з о б р е т е н и я за р у б е ж о м . — 1 9 7 6 . — № 2 . —
С. 51.
3.7. Б о ль ш а к о ва И. А. Д атч и к и для о д н о в р ем ен н о го и зм ер ен и я
м агн и тн о го поля // П р и б о р ы и т е х н и к а эк с п е р и м е н т а . — 1980. —
№ 2. — С. 212— 214.
3.8. Пат. 57-56719 (Япония), МКИ О 01 О 21 / 02. Датчик темпера­
туры и влаж ности/ М ацусита дэнки санге К. К. ( Я пония). — № 53 —
9103; Заявлено 30.01.78; Опубл. 01.02.80 // И зобретения за рубежом. —
1 9 8 3 .— № 1 4 .— С. 89.
3.9. Ш1е^ег1 П. I. П п 1 ег 8 исЬ ип§еп гиг ё 1е 1сЬ 2 е 111§еп М езки п д
теК гегег С гоззеп е ш е т А ий зеЬ тег // Мезз-81еиегп-К.е§е1п. — 1976. —
Уо1. 20. — N 0 . 12. — Р. 426— 529.
3.10. П ит т а Ц унэдзи. К ерам и чески е м ного ф у н кц и о н ал ьн ы е д а т­
ч и к и // А в т о м а т и к а , т е л е м е х а н и к а и в ы ч и с л и т е л ь н а я т е х н и к а :
РЖ. — 1981. — № 7. — С. 12.
3.11. С т ипсон В. Т.. Х а с М. К о м би н и рован н ы й датчи к давлени я
и те м п е р ату р ы // П ри б оры и э л ем ен ты ав то м ати к и и в ы ч и сл и т ел ь ­
ной техники: Э кспресс инф орм ация. — 1988. — № 9. — С .1 1— 18.
3.12. А. с. № 1024697 СССР, М КИ О 01 В 7/18. М алобазны й тензотерм одатчи к/ А. М. Д рож ж ин, А. П. Е рм аков (С С С Р) . № 3402374/
25-28; Заявлено 22.03.83; Опубл. 23.06.85; Бюл. № 23. — 3 с.
3.13. М осквин В. П., А донин А. И. , В иноградов А. В. У правляем ы е
к о н тр о л ьн о -и зм ер и те л ьн ы е п р ео б р азо в ат ел и на о сн о в е се гн ето эл е к тр и ч ески х м атериалов: Т ез. докл. II В сесою з. конф . по акусти ческой
эм иссии. — Киш инев: К Д Н Т П , 1987. — С. 133— 134.
3.14. А. С. № 1496705 С С С Р, М К И А 01 О В 7/00. У стройство для
и зм ер ен и я д и н а м и к и р о с т а и те м п е р ат у р ы р а с т е н и я / А .Ф . А л ей н и к о в (С С С Р ). № 4 3 1 0 4 8 7 /3 0 -1 5 ; З а я в л е н о 29.09.87; О публ. 30.07.89; Бюл.
№ 28. — 4 с.
3.15. А лей н и ко в А.Ф . Д атчик атм осф ерн ого давления // Р азр або т­
ка новых м етодов и средств изм ерения для исследования би ологи чес­
ких объектов: Сб. науч. тр. / РА С Х Н , Сиб. отд-ние. С ибФ Т И . — Н о ­
восибирск, 1995. — С. 3— 9.
3.16. Г р и д ч и н В. А. П р о е к т и р о в а н и е т е н зо п р е о б р а зо в а т е л е й на
э ф ф е к т е п о п е р е ч н о й п ь е зо Э Д С с у ч ё т о м р а з м е р а п о т е н ц и а л ь н ы х
к о н так то в // Ф и зи ч ес к и е о сн о в ы п о л у п р о в о д н и к о в о й т е н зо м е тр и и :
М еж вуз. сб. науч. тр. / Н овосиб. электротехн . ин-т. — Н овоси би рск,
1984. — С. 109— 119.
__________________________________________ ГЛАВА 3. М Н ОГОМ ЕРН Ы Е ДАТЧИКИ
Ъ .\1. А. с. № 1812462 СССР, М КИ О 01 Ы 1/00. У стройство для изм е­
р е н и я д а в л е н и я и т е м п е р а т у р ы / А .Ф . А л е й н и к о в (С С С Р ).
№ 4493705 / 10; Заявлено 10.10.88; О публ. 30.04.93; Бюл. № 16. — 4 с.
3.18. А. с. 1224626 С С С Р , М К И О01 Ь 11/00 Д атчи к давл ен и я /
А .Ф . А л ей н и к о в (С С С Р ). — № 3 7 9 6 1 0 0 /2 4 -1 0 ; З а я в л е н о 0 2 .1 0 .8 4 ;
О публ. 15.04.86; Бюл. № 14. — 4 с.
3.19. А. с. 1348674 С С С Р, М К И О01 Ь 11/00 Д атчи к давл ен и я /
А.Ф . А лейников (С С С Р). — 3 9 9338/24-10; Заявлен о 2 4 .1 2 .8 5 ; О публ.
30.10.87; Бюл. № 40. — 2 с.
3.20. А. с. 1645862 СССР, М КИ О 01Ь 11/00 У стройство для изм е­
рения давления /А .Ф . А лейников (С С С Р). — № 4601081/10; Заявлено
01.11.88; Опубл. 30.04.91; Бюл. № 16. — 7 с.
3.21. А.с. 1599684 С С С Р , М К И О01 Ь 11/00 Д атч и к д авл ен и я /
А .Ф . А л ей н и к о в (С С С Р ). — № 4 2 6 5 6 5 4 / 4 2 -1 0 ; З аявл ен о 2 2 .0 6 .8 7 ;
О публ. 15.10.90, Бюл. № 38. — 3 с.
3.22. А. с. 1610330 СС СР, М КИ О 01Ь 9/10 У стройство для изм ере­
ния давления / А.Ф . А лейников (С С С Р). — № 4317106 /24-10; Заявле­
но 24.08.87; О публ. 30.11.90; Бюл. № 44. — 4 с.
3.23. А. с. 1642266 СС СР, М КИ О01 К 7/00 Д атчик тем пературы /
А.Ф. А лейников (ССС Р). — № 4324913/10; Заявлено 14.09.87; Опубл.
15.04.91; Бюл. № 14. — 3 с.
3.24. А. с. 1758456 СС СР, М К И О 01 Ь 11/00 У стройство для изме­
р ен и я д авл ен и я /А .Ф . А л ей н и к о в (С С С Р ).- № 4 6 4 0 5 8 6 /1 0 ; Заявлен о
24.01.89; О публ. 15.08.92; Бю л. № 32. — 4 с.
3.25. А. с. 1 722299 С С С Р , М К И А О О 7/00 У с тр о й с тв о для и з­
м ер ен и я т е м п е р ат у р ы , о тн о с и те л ь н о й в л аж н о сти и о св ещ е н н о с ти /
А .Ф . А л ей н и к о в (С С С Р ) — № 4 7 8 5 8 6 1 /1 5 ; Заявл ен о 2 3 .0 1 .9 0 ; О публ.
3 0 .0 3 .9 2 ; Бюл. № 12. — 4 с.
3.26. А. с. 1173981 СС СР, М КИ А61 В 5/04 У стройство для изм е­
р е н и я ф и з и ч е с к и х п а р а м е т р о в / А .Ф . А л е й н и к о в (С С С Р ). —
№ 3 7 1 4 9 3 9 /3 0 - 1 5 ; З а я в л е н о 0 6 .0 1 .8 4 ; О п у б л . 2 3 .0 8 .8 5 ; Б ю л.
№ 3 1 .— 2 с .
3 .2 7 . З ем елъ м а н М .А. А в то м ат и ч е ск ая ко р р ек ц и я п о гр еш н о стей
изм ерительны х устройств. — М.; И зд-во стандартов, 1972. — 197 с.
ГЛАВА 4
БИОДАТЧИКИ
4.1.
О С Н О В Н Ы Е П О Н Я Т И Я И О П РЕ Д Е Л Е Н И Я
В Р осси и раб оты по б и о д ат ч и к ам ведутся в С а н к т -П е те р б у р г с ­
ком те х н о л о ги ч ес к о м и н сти ту те и го су д ар ствен н о й А кадем и и а э р о ­
косм и ческого п ри б оростроен и я, в М ГУ , в И н сти ту те м еди ци н ской и
би ологи ческой ки бернетики С ибирского отделения м едицинских наук
(г. Н овосибирск) [4.1,4.2].
В СШ А ры н ок би од атч и к о в начиная с 1962 года неуклонно р ас­
ш и р яется. В 1993 году их бы ло продан о на 187 м лн до л л ар о в, а в
2000 году предполагается продать их более чем на 700 млн долларов
[4.2].
О бласт ь прим енения би од атчи ков главны м образом связана с определегсием с о с то ян и я б и о л о ги ч еск и х о б ъ е к т о в , с у д о в л етв о р ен и ем
за п р о со в м ед и ц и н ы , сел ь с к о х о зя й ств ен н о го п р о и зво д ства, п и ш евой
п ром ы ш ленности, сф еры обитания [4.3, 4.4].
В н асто ящ ее в р ем я в м ед и ц и н е б и о д ат ч и к и и сп о л ь зу ю тся для
д и агн о сти к и ряд а заб о л ев ан и й и кон трол я п р оц ессо в их п ротекан и я
в ходе л еч ен и я. Б и о д атч и к и м огут оц ен и в ать к оли ч ество глю козы в
о р ган и зм е, и, п о -ви д и м о м у , резу л ьтаты эти х и зм ер ен и й м о гу т бы ть
п р и м ен ен ы для п о д д ер ж ан и я н о р м ал ьн о й к о н ц ен тр ац и и и н сули н а в
крови у больн ы х ди абетом .
В сел ьск о м х о зя й с т в е и п и щ евой п р о м ы ш л ен н о ст и б и о д атч и к и
м о гу т п р и м е н я т ь с я д л я к о н тр о л я к а ч е с т в а п р о д у к ц и и . Н а п р и м е р ,
датчи ки на осн ове м ем бран ти л л ак о и д о в ш п ин ата и спользую тся для
о п р ед ел е н и я к о н ц ен тр а ц и и гер б и ц и д о в. В Я п о н и и со зд ан ы б и о д а т­
чики для опред ел ен и я гип отокси н а в тк ан ях ры бы .
^_____________________________ ГЛАВА 4. БИО ДАТЧИКИ
В экологи и б и од атчи к и и сп ол ьзую тся дл я н аб л ю ден и я за х и м и ­
ческим составом сточны х вод, воздуш ной и водных сф ер, парам ет­
рам и окруж аю щ ей среды и др.
В настоящ ее время отсутствует строгое определен и е би одатчиков
как средст в изм ерений. П од биодатчикам и обы чно пон и м аю т [4.5]:
а) ср е д с тв а о п р ед ел е н и я со д е р ж а н и я в ан а л и зи р у ем о м о б ъ е к те
би о л оги ческих м олекул и частиц;
б) систем ы , предн азначен н ы е для съ ём а си гн алов и зм ери тельн ой
и нф орм ац ии с различн ы х б и ол оги ч еск и х о б ъ екто в и их элем ен тов;
в) ср е д с тв а к о свен н о го и зм ер ен и я к о н ц ен тр а ц и и р азл и ч н ы х ве­
щ еств путём оценки к оли ч ества п родуктов ф ерм ен ти вн о й реакции;
г) датч и ки , со д ер ж ащ и е б и о л о ги ч еск и е эл ем ен ты , те сн о св я за н ­
ные с преобразователям и его реакции на спец и ф и ческо е воздей стви е
(х и м и ч ес к о е или ф и зи ч ес к о е ) и вы д аю щ и е у д о б н ы й для о б р або тки
си гн ал .
П о д биодатчиком , на наш взгляд, следует пони м ать ко н стр у кти в­
но обособленную совокупност ь чувст вит ельны х био ло ги чески х элем ен­
т ов и изм ерит ельны х преобразоват елей, восприним аю щ ую одну или
несколько входных величин и ф орм ирую щ ую изм ерительны е сигналы.
Ч у в ств и тел ьн ы й б и о л о ги ч еск и й эл ем ен т — это ч а ст ь п ер во го в
и зм ер и тел ьн ой цепи б и од атчи к а, во сп ри н и м аю щ ая вх о д н о й и зм ери ­
те л ьн ы й си гн ал . В к ач ест в е ч у в с т в и т е л ь н о г о эл е м е н т а и сп о л ь зу ю т
целы е организм ы , ткани , клетки, орган еллы , б и о л о ги ч еск и е м ем б р а­
ны, ф ерм енты и их к ом п он ен ты , р ец еп то р ы , ан ти тел а, н у клеи н о вы е
кислоты , орган ические м олекулы и другие вещ ества [4.1].
В би о д атч и к ах ш ироко и сп ол ьзую тся эл ек тр о х и м и ч е ск и е п р ео б ­
р азо вател и с п о те н ц и о м етр и ч еск и м и , ам п ер о м ет р и ч е ск и м и , кондукто м етр и ческ и м и и други м и цепям и.
Э лектрохи м ически й преоб разовател ь п ред ставл яет соб ой п р о во д­
ник эл ектрического тока, которы й пом ещ ается в исследуем ую среду.
П ри этом у стан авл и вается эл ек тр о х и м и ч еск и й про ц есс, св язан н ы й с
п ер ен о со м за р я д о в м еж д у п р и су тств у ю щ и м и в ср е д е за р яж е н н ы м и
части ц ам и и эл ек тр о х и м и ч еск и м п реоб р азо вател ем . Н а гран и ц е р аз­
дел а ср е д а — п р е о б р а зо в а т е л ь ф о р м и р у етс я в ы х о д н о й э л е к т р и ч е с ­
кий сигнал (в виде тока или напряж ения).
П ринцип действия преобразователя с п от ен ци о м ет р и чески м вы ­
ходом осн ован на о п ред ел ен и и разн о сти п отенциалов, ко то р ая у ста­
н ав л и вается м еж д у и зм ер и те л ьн ы м эл ек тр о д о м и эл ек тр о д о м ср ав-
от
4 1 О с новны е понятия и оп редел ен и я
^
н ен и я Э л е к т р о д с р а в н е н и я и м еет п о сто ян н ы й и во с п р о и зв о д и м ы й
п отенциал, не зави сящ и й о т среды , в которую он пом ещ ен. Разность
п о т е н ц и а л о в о п р ед ел я е тс я ак ти в н о сть ю и онов эл ек тр о л и та , в к о то ­
ры й п ом еш ен п р ео б р азо вател ь. О п р ед ел яю тся о к и сл и те л ь н о -в о сс та­
новительны е п отен циалы , уровен ь рН и ионов [4.6].
О к и с л и т е л ь н о -в о с с т а н о в и т е л ь н ы е р еа к ц и и , п р о те к а ю щ и е в р а ­
створе, со п р о в о ж д аю тся обм еном эл ек тр о н о в (не):
Окислитель +
Восстановитель
^ (
2
)
Вещ ество, присоединяю щ ее электроны в направлении
(1), игра­
ет роль о к и сл и тел я и во с ста н ав л и в ае тся . В ещ ество , ко то р о е о тд аёт
электроны в направлении -» (2 ) , играет рол ь восстановителя и окис­
л яется. П ри п о м ещ ен и и х и м и ч еск и сто й ко й п ро во д ящ ей нити в р а ­
створ м еж ду п роводни ком и вещ ествам и — окисли телем и восстан о­
вителем — происходит обм ен электронам и в двух направлениях, пока
п р о вод н и к не п р и о б р е тё т р ав н о в ес н ы й п отенц и ал.
О б ы ч н о эл ек тр о д ы и зго та в л и в аю т ся из зо л о та , п л ати н ы , рту ти ,
серебра или граф ита (ри с.4.1) [4.6]. Н априм ер, платиновы е электроды
использую тся для изм ерения потенциалов от -0 ,1 до + 0,9 В, золоты е
о т - 1 до +0,3 В.
3
Рис. 4 .1. Конструкция электрода для определения окислительновосстановительных потенциалов.
I — ч у в ст ви т ел ь н ы й э л е м е н т (п л ат и н а, зо л о т о и д р ), 2 — стек л ян н ы й корпус, ,? — головка.
4 — Э л ектрический вы в од
В ел и чи н а рН х а р а к тер и зу е т к и сл о тн о сть р ас тв о р о в и о п р ед ел я ­
ется как отри ц ательн ы й л о гари ф м ионов вод оро да Н ’ . П ри нцип дей ­
ствия п р ео б р азо в ател я рН о сн о в ан на сл едую щ ем . Н ек о то р ы е типы
стеко л явл яю тся сл аб ы м п р о в о д н и к о м э л ек тр и ч ес к о го тока. П о те н ­
циал, к о торы й у стан авл и вается на гран и ц е м еж д у м ем б р ан о й из т а ­
кого с т ек л а и вод н ы м р ас тв о р о м , за в и си т о т к и сл о тн о с ти р ас тво р а
(у р авн ен и е Н ер н с та) [4 .6 ]. К о н стр у к ц и я р Н -эл е к т р о д а п о к азан а на
рис. 4.2.
.
.
.
______________________________________
ГЛАВА 4. Б И О Д А Т Ч И К И
Р ис. 4.2. Конструкция рН-электрода:
/ — стек л ян н ая м ем б ран а. 2 — р ас тв о р . 3 ~~ корпус, 4 — эк ран. 5 — втулка; й — э л ек тр о д
ср а вн ен и я, 7 — эл ек тр и ч е ск и й вы вод
к стеклянной м ем бран е / сф ери ч еск ой ф орм ы при п аян а т р у б к а корпус 3 из стекла с вы соким электрически м соп роти влен и ем . В нут­
ри эл ек тр о д а находится раствор 2 с известн ой кисл о тн о стью (о б ы ч ­
но рН = 7), в который погруж ён электрод сравнения 6. Д ля изм ерения
рН эл ектр од погруж аю т в исследуем ы й раствор и изм еряю т разность
п о тен ц и ал ов м еж ду внутрен н и м эл ек тр о д о м ср авн ен и я 6 и рабочим
эл ек тр о д о м 1.
П ри н ц ип дей стви я и о н о с еле кт и вн ы х п р ео б р а зо в а т еле й ан ал о ги ­
чен р Н -п реобразователю . Н екоторы е стекла, полим еры , м он о- и по­
ликристаллы проявляю т особую чувстви тельн ость к акти вн ости
ионов щ елочны х м еталлов и других вещ еств (К а ’, К ’, Са^’ , А § ’, Си^",
К Н „’ , КО^", СЮ^" и д р .). И о н о с е л е к т и в н ы е эл е к т р о д ы ф о р м и р у ю т
электри ческий сигнал, определяем ы й активностью ионов. А ктивность
и о н о в при п осто ян н о й т е м п е р а т у р е за в и с и т от к о н ц ен тр а ц и и о п р е­
дел яем ы х ионов, их заряда, а такж е от п ри роды и ко н ц ен тр ац и и по­
сто р о н н и х ион ов, п ри сутствую щ и х в растворе.
Р або та а м п е р о м ет р и чески х п р ео б р азо в ат ел ей св язан а с п р о х о ж ­
дением электрического тока в изм ерительной цепи. К ак правило, м еж ­
ду двум я эл ек тр о д ам и д а тч и к а (м е тал л и ч еск и й эл е к тр о д и эл ек тр о д
ср а вн е н и я) со зд ается р азн о сть п отен ц и ал ов. К он ц ен тр ац и я и ссл ед у ­
ем ы х ч а с т и ц п р о п о р ц и о н а л ь н а си л е то к а, в о зн и к аю щ е й в э л е к т р о ­
дной цепи [4.6].
С р ед и ам п ер о м етр и ч еск и х п р ео б р азо вател ей в б и о д атч и к ах р ас­
п р о стр ан ен так н азы ваем ы й «ки сл о р о д н ы й эл ек тр о д » (ри с. 4 .3 ). Он
со с то и т из двух эл ек трод ов разли ч н о й п олярн ости: п л ати н о во го ка­
то д а / и сер еб р ян о го ан о д а 4, п о к р ы то го хл ори дом сер еб р а. Э л ект­
роды погруж ены в хлорид калия 3. Э та изм ерительная ячейка отделена
о т и с с л е д у е м о го в е щ е с т в а т о н к о й м е м б р а н о й 2 , п р о н и ц а е м о й дл я
ки сл о р о д а. Э л ектр о д ы за р я ж а ю т д о р азн о сти п о те н ц и ал о в п о р яд ка
4 2. Основные принципы действия и метрологические характеристики
85
700 мВ, К ислород диф ф ундиру­
ет через м ем брану и восстан ав­
ливается на катоде. Т ок, обус­
л о вл ен н ы й этой о к и сл и те л ь н о ­
восстан ови тельн ой реакцией,
пропорционален количеству
восстан овлен н ого кислорода.
Р азн о в и д н о ст ь ю к и с л о р о д н о г о
э л е к т р о д а я в л я е т с я та к н а з ы ­
ваем ы й «то п л и вн ы й эл ем ен т
(ячейка)» [4.1]. В такой ячейке
эл ектроп ровод ящ и й м атери ал с
Р ис. 4.3. К ислородны й электрод:
б о л ьш о й п о в е р х н о сть ю р а с п о ­
/ — к атод . 2 — м е м б р ан а. 3 — эл ек тр о л и т , 4 —
ан од; 5 — корпус
л о ж е н м еж д у э л е к т р о л и т о м и
атм осф ерны м воздухом . В при­
су т ств и и к и с л о р о д а п р о и с х о д и т о к и с л е н и е а к т и в н о й п о в е р х н о с т и
этого м атери ала с вы делением тепла. В результате хи м ической р еак ­
ции с кислородом воздуха в изм ерительной ячей ке меж ду катодом и
анодом возникает напряж ение. Реакция протекает очень бы стро. Т ем ­
пературная к ом п ен сац и я осу щ ествл яется внутри ячейки.
К о и д укт ом ет рические п реоб разователи состо ят из двух эл ек тр о ­
дов, и зго то вл ен н ы х из х и м и ч еск и сто й ки х м атер и ал о в. На э л е к т р о ­
ды п одаётся п ер е м е н н о е н ап р яж ен и е или ток. И сп о л ь зо ван и е п ер е­
м ен н ого н ап р яж ен и я или тока п о зво л яет у м ен ьш и ть влияние
поляризационны х явлений на границе раздела ср еда — электрод. И з­
м еряя напряж ение при известном токе или ток при известном н апря­
ж ении, р ас сч и ты в аю т п ровод и м ость и сследуем ой среды .
4.2. О С Н О В Н Ы Е П РИ Н Ц И П Ы Д Е Й С Т В И Я
И МЕ Г Р 0 .4 0 Г И Ч Е С К И Е Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И
Тип биодатчика определяется преж де всего би ологическим м а т ериало.м его чувствительного элем ента. П оэтом у в первую очередь сле­
дует различать м икробны е, ф ерм ент ат ивны е, клет очны е и т каневы е
биодатчики [4.1].
Н а рис. 4.4 п ок азан а конструкци я м ик р о б н о го датчи ка для о п р е­
деления сум м арного содерж ания усваиваем ы х сахаров в патоке. Э тот
б и о д атч и к п р ед н азн а ч е н для о п р ед ел ен и я об щ его со д ер ж ан и я са х а­
86
ГЛАВА 4. Б И О Д А Т Ч И К И
ров в б р о д и л ь н о й ср е д е . О н с о д е р ж и т ч у в ст в и те л ь н ы й э л е м е н т из
и м м о б и л и з о в а н н ы х (з а к р е п л ё н н ы х ) ж и в ы х к л е т о к В геу1Ь ас1егш т
1ас1о/егтепШт и к и сл ородн ого эл ек тр о д а [4.1]. К л етки и м м о б и ли зо ­
вали на куске н ей лоновой сетки, разм ером 1 0 x 1 0 мм^, которую при­
креп ляли к кисл ородн ом у датч и ку. С од ерж ан и е сах ар о в о ц ен и вается
по п о тр е б л е н и ю к и сл о р о д а и м м о б и л и зо в ан н ы м и м и к р о о р г а н и зм а ­
ми. П овы ш ен и е, н ап р и м ер , к о н ц ен тр а ц и и гл ю козы п р и во д и т к у в е ­
л и чен и ю п оглощ ен ия к и сл орода в р астворе.
Рис. 4.4. Биодатчик сахаров (глюкозы, фруктозы и сахарозы):
/ — ц е л л о ф ан о в ая м е м б р ан а. 2 — м и к р о о р га н и зм ы з а к р е п л ё н н ы е на н е й л о н о в о й
сетк е; 3 — гел и евы й э л ек тр о л и т ; 4 — п л а т и н о в ы й к атод ; 5 — т е ф л о н о в а я м е м б р а­
на; 6 — р е з и н о в о е к ольц о; 7 — с е р еб р ян ы й ан од.
Д атчики им ею т линейную зави си м ость м еж ду уровнем вы ходн о­
го т о к а и к о н ц ен тр ац и ей гл ю козы (до 1мМ - м и л и м о л ь), ф руктозы
до (1 м М ) и сахарозы до (0,8 м М ). В рем я откл и ка би о д атчи к а со ста­
вило 10 мин. О бщ ее сод ерж ан и е усваиваем ы х сахар о в рассчиты вали,
сум м и р у я зн ачен ия о тк л и ков на гл ю козу, ф р у к то зу и са х ар о зу . Раз­
н ость и стинн ы х и расч етн ы х к о н ц ен тр ац и й не п р ев ы си л а 8 %. Б и о ­
датчи к работал в броди льн ой среде для получения глутам иновой
кислоты в течение 10 дней и вы держ ал 960 изм ерений.
В Р о ссии создан ком пью теризованны й стен д с биодатчикам и глю ­
козы , тем п ературы [4.2]. Н а стен д е прои звод и тся эк сп р есс-ан ал и з в
течен и е 50 с. К онцентрация глю козы в крови пациен та определяется
с погреш н остью до 5 % неп осред ствен н о в кабинете врача.
М и к р о б н ы е би од атчи к и п ри м ен яю тся для оп ред ел ен и я к о н ц ен т­
р ац и и м у р а в ь и н о й , н и к о т и н о в о й , гл у т а м и н о в о й к и с л о т, с п и р т о в ,
ам м и ак а и други х вещ еств. С в ед ен и я о н аи б о л ее р асп р о стр ан ен н ы х
б и о д атчи к ах на осн ове м и кр о о р ган и зм о в свед ен ы в табл. 4.1.
4 2, Основные принципы действия и метрологические характеристики
|2 §оо
|
1с г
ГГ
О аэО
—5
II
- I §
III
IIё
,1
III
и О.
ГО 5Л.
/.о Й.Ш
о о с о.
?■
I
Ы
§ -3
^ с
'б *5
» § I
.3 г ,
III
й Ц5
> 2 П
I «
2
"Й ■»
87
88
ГЛАВА 4. Б И О Д А Т Ч И К И
н е
—
5 ё-5
О
—
}0К
>
2
О
- и,
ш'
II
2
<
—
о
о
о
о
40 Ю
5 ос
2
■X
X
; 2сз
Ё Е |Р
X з: й. т
4 2 Основные принципы действия и метрологические характеристики__________ ^
В ф ер м ен т н ы х би о д атч и к ах в к ач естве чувстви тельн ы х эл ем ен ­
то в и сп о л ь зу ю т с п е ц и ал ь н ы е б и о л о ги ч еск и е к а та л и за т о р ы -ф е р м е н ­
ты , о б е сп е ч и в аю щ и е сп е ц и ф и ч н о с ть и вы сок ую ск о р о сть б и о х и м и ­
ческих р еак ц и й с суб стратом (вещ еств о м , х и м и ч еск ая м оди ф и кац и я
ко то рого к атал и зи р у ется ф ер м ен то м ). В состав тако го датч и ка в х о ­
дят м ем брана с им м оби лизован ны м ф ерм ентом и вторичны й и зм ери­
тельн ы й преоб разовател ь (ам пером етри ческий , п отен ц и ом етри чески й
и т. п.). О дна из сторон м ем бран ы кон такти рует с исследуем ой ср е­
дой, а другая с раб очей кам ерой вторичного изм ери тельн ого п рео б­
разователя. Н апри м ер, для и зм ерен ия содерж ан и я глю козы на м ем б­
ран у н ан е сё н ф е р м е н т — г л ю к о зо к с и д а за , в п р и с у т с тв и и к о то р о й
п рои сход и т ок и сл ен и е и сследуем ой глю козы :
Р-О-глюкоза +
+ Нр
гмотэоксидаза ^ Глюконовая кислота +
В ы деляю щ аяся п ерекись водорода окисляется на разделе ан о д —
мембрана в соответствии с реакцией:
О д 2 Н * + 2е. В озн икаю ­
щ ий при этом то к проп орц и он ал ен окисл ен н ой п ереки си во д орода и
несет инф орм ацию о конц ентрации глю козы в исследуем ой среде. В
биодатчике приняты м еры для улучш ения восприятия глю козы в слож ­
ны х б и о л о г и ч е с к и х ж и д к о стя х . П р и в о д я т с я та к и е х а р а к т е р и с т и к и
этого датчика: ди апазон концентрации глю козы 0 , 2 . . . 2 , 0 мл (это тре­
бует разбавления крови в 1 0 раз); функция преобразования — ли н ей ­
ная; врем я ж и зн и — 1 год; дл и тел ьн ость работы с одним ф ер м ен т­
ным эл ек трод ом — 2 недели ; срок хран ен и я при 4 °С — 6 м есяцев;
погреш ность изм ерения ± 5 % [4.1]. В качестве ф ерм ентов использу­
ю тся и другие вещ ества: хол и н оокси д аза, ам и н оки слотн ая о кси даза,
ксанти нооксидаза и др. В табл. 4.2 приведены сведения о н екоторы х
типах ф ерм ен тн ы х д атч и к о в для оп ред еления глю козы в крови.
В т каневы х би од атчи ках использую тся р а ст и т ельны е и ж и во т ­
ны е ткани: л и стья, ц веты , пл оды р астен и й , м ы ш ц ы кр о ли ка, бы чья
печень. И з-за наличия в ткан ях н ескольких ф ерм ен тов при ходи тся
п р и н и м ать м еры дл я р азд е л е н и я си гн ал о в , н ап р и м ер , п о д б о р о м рН
или тем п ер ату р н о го реж и м а. В н екоторы х случаях это п озво л и т ис­
пол ьзовать оди н датч и к для восп ри яти я н еск о льк и х величин. С о зд а­
ны биодатчи ки из л и стьев кальроби (для определения концентрации
п ер еки си в о д о р о д а ), т к а н е й б а к л а ж а н а, к ар то ф е л я , ты к вы , б а н ан а,
каб ачк а, сах ар н о й св ек л ы .
Н а ри с. 4.5 п о к аза н а к о н стр у к ц и я б и о д ат ч и к а для о п р ед ел е н и я
гл утам и на с ж и в о тн о й ткан ью . К он ц ен трац и я глу там и н а служ и т ди-
'О
Т а б л и ц а 4.2
о
Основные характеристики ферментных биодатчиков глюкозы
Фирма,
страна.
модель
Фермент
Уе1о№ 5рпп88 1п81гитеп1з
(США), 23, А
2ШО(ФРГ),01икоте1ег
ОКМ01
Кас1ек13 (Венфия),
О Р -О З Д 7 1 1 3 -8
Фермент (РФ), Аплама
Рцр Е1ес1пс (Япония),
С1исо 20А
Зегез (Франция),
Епгута!
Институт биохимии
(Литва)
5о1еа - Тасиззе!
(Франция),
глюкозный электрод
Нойпап - Ьа КосНе & Со
(Швейцария). 5410
АпаНЦса! 1п81штеп18
(Япония), ОШсогобег - Е
Глюкозо
окссидаза (ООО)
ООО
Диапазон
определяемых
концентраций,
мМ/л
1...45
Объём
пробы.
мкл
Частота
измерений.
проб/ч
Относительная
пофешность,
%
Стабильность
25
40
2,0
300 измерений
0,5...50.0
20... 25
60.. 90
1,5
1000 измерений
ООО
1,7...2,0
100
40
5,0.,,Ш,0
250 дней
ООО
ООО
2,5... 30,0
О...27.0
_
20
20
80...90
3.0
1,7
500 измерений
ООО
1,0... 22,0
200
60
ООО
0,5... 30,0
50
60
5,0
ООО
0,00001... 1,0
-
_
2,0
1000 измерений
ООО
2,5... 27,5
100
1.5
8 недель
ООО
0.,,55,5
20... 40
Время анализа
60 с
120... 150
500 измерений
Со
2,0
СП
X
о
]са
>
ч
4:
X
ош
Автоматические проточные; анализаторы
ОайсЫ (Япония), АиФ &
8ШСА1110
МЕЗУ (Германия),
МЕ С1исозе 6
Карлов Университет
(Чехословакия)
Е1Ге 8с1епсе 1пз1г., 01х
М11е5(США),ОСП8
X
ООО
1.0... 40,0
ООО
1.0... 44,0
ООО
0,0006...5,0
ООО
0..,27,5
100...25
0
20
8 0 -1 2 0
60
Время
отклика
2 мин.
г:
1.0
1,2
1000 измерений
3,5
30 дней
5
50 часов
X
сX
а
г
Й
5О<
Ч
2
I
О
йэ
О
тз
5О
92
ГЛАВА 4. Б И О Д А Т Ч И К И
агности ческим критерием в м едицине (критерий Р ея) [4.1]. В таком
датчике тонкий слой кортекса почки свиньи закрепляется на поверх­
но сти р аб о ч е й части датч и ка, ч у в стви тел ь н о го к газо о б р азн о м у ам ­
м и ак у .
5
6
7
4
Рис. 4.5. Биодатчик с животной тканью;
I — н е й л о н о в ая п о д д е р ж и ва ю щ ая м е м б р ан а, 2 — т к а н ь п очки св и н ьи . 5 — вн у тр ен н яя
д и а л и зн а я м ем бран а, 4 — вн утрен н и й эл ек тр о л и т, 5 — газо п р о н и ц ае м ая теф л о н о в ая
м е м б р ан а, 6 — к орпус; 7 — р Н -эл е кт р о д
К летки почки им ею т вы сокую концентрац ию ф ер м ен та глутам ин азы , к атал и зи р у ю щ его реакц и ю :
Г л утам и н + Н^О
Глупигмииат
^
гл утам и н ат
Т кань почки 2 удерж ивается тканевой нейлоновой сеткой / с раз­
м ер о м о т в е р с т и й п о р я д к а 150 м км . Д ля заш и ты г а зо п р о н и ц а е м о й
м ем браны 5 от клеточны х ком понентов ткани 2 между ней и м ем бра­
ной п о м ещ аю т тонкую деац ети л ц ел л ю л езн ую пленку 3. П ри взаи м о ­
д е й с т в и и гл утам и н а, п о ст у п аю ш е го из ан а л и зи р у ем о го р ас тв о р а , с
за к р е п л ё н н ы м к ата л и зат о р о м (тк а н ь п очк и ), с о д ер ж ащ и м глутам и назу, о бр азуется ам м и ак.
И зм еряя концентрацию ам м иака, получаю т инф орм ац и ю о со д ер ­
ж ан и и су б ст р ата — гл у там и н а в р ас тв о р е . Т к ан ев ы е гл у там и н о вы е
б и о д ат ч и к и по своим х ар а к тер и с ти к ам п р ев о сх о д ят ф ер м ен тн ы е и
м и кр о б н ы е би од атчи ки (см . табл. 4.3).
93
4 2, Основные принципы действия и метрологические характеристики
Т а б л и ц а 4.3
О сновны е характеристики глутаминовы х биодатчиков
Чувсгвигельнын
элемент
(биока гализатор)
Ф ерм ент
Митохондрии
6,0
0 , 1 . . . 3,3
4 ...5
6 ...7
5,6
2,0
0 , 1. . 10
Предел
обнаружения
3 3 ...4 1
53
Б а к т ер и и
Т кань
Время
отклика,
мин
п !0 \ М
Диапазон
линейности
характеристики,
мМ
Чувствительность
(наклон
характеристики)
мВ/рС
50
Срок
службы
(минимум).
20
5 ...7
Х ар актер и сти ки тк ан е вы х би од атч и к о в п ри веден ы в табл .4 .4 .
В названии би од атчи ков иногда отраж ается тип ф о рм ироват елей
вы ходн ы х си гн а ло в (п о тен ц и о м етр и ч еск и е, ам п ер о м етр и ческ и е, конд у к том етри ческ и е, кал о р и м етр и ч ески е и др.).
По к оли ч еству восп р и н и м аем ы х и преоб разу ем ы х вели чи н м о ж ­
но вы делить о дно м ерн ы е и м н ого м ер н ы е биодатчи ки , восп р и н и м аю ­
щ ие несколько входн ы х величин.
И сп о л ь зо ван и е п л одов р астен и й (б ез разр у ш ен и я их стр у кту р ы )
в качестве м ногом ерны х биодатчиков — новое перспективное направ­
ление в изм ерительной технике [4.5]. Н еобы чайная чувстви тельн ость
р ас те н и й к р азл и ч н ы м ф акто р ам окр у ж аю щ ей ср еды за м е ч е н а ещ ё
б о тан и к ам и и ф и зи о л о гам и п р о ш л о го века.
Р астения реаги рую т на ничтож ны е изм енения интенсивности све­
т о в о го п о то к а, о б л а д а ю т вы со к о й х и м и ч ес к о й ч у в ст в и те л ь н о ст ью .
Р еаги р у ю т на р а д и о а к т и в н о е и зл у ч е н и е и на м ал ей ш и е и зм ен ен и я
вл аж н о сти воздуха. В ы со к о й ч у в ств и те л ь н о стью к вн еш н и м ф а к то ­
ром обл адаю т и сем ен а растений.
О сн овн ы е п р еи м ущ ества д атч и ков с п л одам и р астен и й о б ъ я сн я­
ются следую щ им;
• плоды о б л а д а ю т вы со к о й у сто й ч и во с ть ю к во зд ей стви ю р а з­
л и чн ы х эк стр ем ал ьн ы х ф акторов (он и со х р ан яю т ж и зн есп о со б н о сть
при во зд ей с тв и и о тр и ц а тел ь н ы х т е м п е р ат у р в теч ен и е д л и тел ьн о го
врем ени );
• при использовании плодов в качестве биодатчиков сущ ествует
р еал ьн ая в о зм о ж н о с ть создан и я м и н и атю рн ы х датч и ко в, сп о со бн ы х
к о н к у р и р о вать с м и к р о эл ек тр о н н ы м и д а тч и к а м и ;
• при проведении процедуры изм ерений потребую тся м енее слож ­
ные технические средства, чем при реш ении подобны х задач с прим е­
нением ф ерм ен тов и други х би ол оги ч ески х вещ еств;
94
ГЛАВА 4. БИО ДАТЧИКИ
з"
^ 2: г
5§1
X
а 3
о
I,л и
р1
11^
11-
О
го
1 |^
^ 111
ш
-а'
Й
О
X
ло
О
гчО
|
_^
’ча0\
гг
Г4
,'
I
I
,
)
,
,
М
О
'Л
ч'
оо*
;
гм
о
^
.
*г^
:
—
.г.
1
о
М
О
ОО
М
О
^ОО
М
О
гл
00
М
О
О
о
о
2
^
"■.
°
ч
■
?
о
го
З:
3
о
О
', г оМ
ее
У>1
| | 1.
« X«3'
о
1 1
>2х и
^
X Е■
1^
1
й
1т
X
ж
1 1с
3.
?ж а
ь
её"
1« 1
111
§ о
й
ш
& ,
'§.
о
з
5:
1
« “
II
X
X
I
■1
и
4
о
°
^
12> й
й й
1т ' гэ
X о
ж о
§
я
яе
с;
е
1 1 1
§ 3
з
5
.X X X
3
5
%
Й2
. < <
^В
"
'гч|
о
о
I
а
1 -.
|1
40
о)
о
§
:
_
®
1"
1^
Е
^
й
ё й
' 1(-1
”I
!г-1
ж
(N5
ж
о ж
я "З"
1 3!■
§
!■§
« 1
II
а
1
| | | 1 “
«^
к Ь
1 «
«
^р х
1
о
и с -:2
-1-тт
=
й
§
"оИ § х ё
еЕя '
4, 2. Основные принципы действия и метрологические характеристики__________ ^
• прощ е осущ ествить взаим озам еняем ость чувствительны х элем ен ­
тов, так как и м еется в о зм о ж н о с ть о тб о р а и со р т и р о в к и по равн ы м
м ассе, форм е, разм ерам и другим свойствам .
Н ужно отметить, что семена арктического лю пина через 5 ... 19 ты ­
сяч лет пребы вания в арктической м ерзлоте в норах лем м и н го в дали
всх о д ы ; ч ер ез ты сяч у л е т в о зв р а щ а ю тс я к ж и зн и с е м е н а р астен и й
Ы е1итЬо пис11'ега, П О ... 130 л ет со х р ан яю т ж и зн есп о со б н о сть сем ен а
обы кновен ны х ячм еня и овса [4.5]. Э тот ф акт п оказы вает, что срок
службы биодатчиков м ож ет бы ть больш им. С ем ена плодов им ею т не­
больш ую массу и разм еры . М асса плода конопли составляет 22-10 ’ г,
проса - 4 1 0 " ’ - 10 1 0 "’ г, тм ина ~ 2 ,3 1 0 "’ - 2 .5 1 0 "’ г.
П ри вед ём прим ер и сп о л ь зо ван и я п л о д а го р о х а в д а тч и к е в л а ж ­
н ости и тем п ер ату р ы . П л од растен и я (р и с.4. 6 ) п ом ещ ался в полы й
цилиндрический пьезоэлем ент [4.7]. В лаж ность среды изм еняла объём
сем ени. Это п риводило к изм енению заряда п ьезо эл ем ен та - вы х о д ­
ного си гн а л а д а тч и к а . К р о м е то го , как о к а за л о с ь , п л о ды р ас те н и й
р еаги ровал и на и зм енен ие тем п ер ату р ы своей б и о эл ектр и ч еск о й ак­
ти вностью . Э к сп е р и м е н т п о д твер д и л п р и н ц и п и ал ь н у ю во зм о ж н о с ть
создан ия таки х б и од атчи к ов. Д и ап азон и зм ерен и я вл аж н о сти с о с т а ­
вил 0 ...1 0 0 %, а основная погрешность - не более 4 %. Временная неста­
бильность выходного сигнала в течение 48 ч не превысила 1,5 %. Нели­
нейность ф адуи ровочной характеристики бы ла более 15 % в диапазоне
влажности от 14 до 97 %. При измерении же температуры от 20 до 60 °С
датчик позволял вы полнять изм ерение с п о ф еш н о стью ± 5 %
Б ольш ой чувствительностью к влаж ности обладаю т и плоды аи ст­
ника. В сухую погоду они закручиваю тся в «ш топор», а во влажную —
распрям ляю тся. Корпус биодатчика на рис. 4.7 им еет ф орм у цилинд­
рической резьбовой втулки [4.8]. В верхню ю часть трубки вк ручи ва­
л ас ь п р о зр а ч н а я п р о б к а с за к р е п л ё н н ы м на н ей п л о д о м р а с т е н и я .
С ер д еч н и к як о р я и н д у к ти в н о го п р е о б р а з о в а т е л я и м еет у гл у б л ен и е
для м ехан и ч еского креп л ен и я его к остям аи стн и к а. О бм отка, и зго ­
то в л ен н ая из м ед н ого п ровод а, д о п о л н и т ел ь н о в ы п о л н я е т ф у н к ц и и
п р е о б р а зо в а т е л я те м п е р а т у р ы . П ри с о в е р ш е н и и г и гр о с к о п и ч е с к и х
дви ж ен и й (п о д влиянием вл аж н ости ) аи стн и к а с яко р ем и зм ен яется
и н д у к ти в н о сть п р е о б р а зо в а т е л я . И н д у к т и в н о с т ь и зм е р я л а с ь на п е­
р ем енном то к е (10 кГц). Т ем п ература ж е и зм ен яет акти вн ое со п р о ­
ти влен и е обм отки, и процедура изм ерени я тем п ер ату р ы о су щ ествл я­
ется на постоянном токе.
96
ГЛАВА 4. БИО ДАТЧИКИ
1
2
3
Рис. 4.6. Конструкция биодатчика температуры и влажности воздуха;
1 , 3 , 9 — се р еб р ян ы е т о к о п р о в о д я щ и е э л ек тр о д ы ; 2 — п л о д го роха, 4 — корпус. 5 — у си л и ­
т е л ь п ьезоЭ Д С (в л а ж н о с ть ); 6 — у си л и т ел ь б и о п о т е н ц и а л о в (т ем п е р ат у р а), 7----- м и к р о э л е к ­
т р о д д л я сн ят и я б и о п о т е н ц и а л о в , Я — ц и л и н д р и ч еск и й п о л ы й п ь е зо э л е м е н т
Н ел и н ей н о сть вл а го ч у в с тв и те л ь н о й х ар а к тер и с ти к и та к о го д а т ­
чика составила не более 5 %. П ри изм ерении же тем пературы датчик
не уступал по точн ости изм ерения
обы кн овен н ы м м едны м т е р м о м ет­
рам с о п р о т и в л е н и я п о р я д к а 2 %.
Б ы с т р о д е й с т в и е б и о д а т ч и к а п ри
и зм ерен и и влаж н ости не п р евы си ­
ло 1 мин.
С ем ен а м о гу т н айти п р и м ен е­
ние в специальны х вы сокочувстви­
тельны х средствах сигн али зац и и и
кон трол я: б и о л о ги ч еск и акти вн ы х
вещ еств, вы зы ваю щ их н еж елатель­
ны е р еа к ц и и у р астен и й и ж и во т­
ных; наличия основны х форм бак­
тер и й ; о п асн ы х со е д и н е н и й н ек о ­
торы х хим ических вещ еств и др.
Рис. 4.7. Конструкция датчика
В последнее время для изготов­
температуры и влажности воздуха:
/ — п робка, 2 — корпус, 3 — п лод аи стн и к а, 4 —
ления биодатчиков прим еняется
о б м о т к а и н д у к т и в н о го п р е о б р а з о в а т е л я ; 5 — э л е к ­
и н т е гр а л ь н а я те х н о л о ги я . Н ап р и ­
тр и ч еск и е вы воды д атчи ка, 6 — осн ован и е, 7 —
як о р ь и ндукти вного п р ео бразователя
м ер, в б и од атчи к ах и сп ользую тся
4 2 Основные принципы действия и метрологические характеристики
97
плоские узлы с вакуум ны м напы лением электрод о в из платины , пал­
ладия или сереб ра на керам ическую подлож ку. Ф ерм ен т с пастой ук­
р епляется с пом ощ ью ультразвука на поверхности пластины [4.2]. П о
такой техн ол оги и и зготовл ен би од атчи к глю козы и лактата. Б и о д ат­
чик л ак тата и сп ол ьзовался для оп ред ел ен и я его содер ж ан и я в яйцах
курицы с р азл и ч н ы м вр е м е н ем инкубации. П огр еш н о сть и зм ерен и я
лактата составила ±5 %. Н а рис. 4.8 показана конструкция интеграль­
ного б и од атчика для оп ред ел ен и я конц ентрации глутам ата [4.1]. О п ­
р ед ел ен и е кон ц ен трац и и I — глутам ин овой кислоты — важ ная о п е­
рация в пищ евой п ром ы ш ленности, так как эту кислоту п рим еняю т в
к ач естве вкусовой д о б ав к и к пищ евы м продуктам . Ч увстви тельн ы м
эл ем ен то м сл у ж и т гл у там ат о к с и д а за, которая к ата л и зи р у ет о к и с л е ­
ние глутам ата, причём в х оде окисления расходуется кислород. К и с­
л о р о д н ы й д а тч и к с о с то и т из газо п р о н и ц а ем о й т е ф л о н о в о й м ем б р а­
ны 7, д в у х зо л о т ы х м и к р о э л е к т р о д о в 4 и р а с т в о р а э л е к т р о л и т а б
(0,1 М К О Н ). К зо л о ты м м и к р о эл ек тр о д ам п р и к л а д ы в ае тся н ап р я­
ж ен и е п о р яд ка 1 В, так как при этом н ап р яж ен и и н аб лю дается пик
то к а, о б у сл овл ен н ы й восстан овл ен и ем кислорода в проц ессе работы
датч и ка (оп р ед ел ен о эксп ери м ен тал ьн ы м путем). М еж ду этим р азм е­
ром то к а и к он ц ен трац и ей су щ ествует ли н ей н ая зави си м ость.
8
9
Рис 4.8 Конструкция интегрального биодатчика для определения глутамата:
/ ^ к р ем н и е вая п о дл ож к а. 2 — д и о к си д крем н ия, 3 — н итрид к р ем н и я, 4 — з о л о т ы е э л ек т ­
роды , .■>' — к-орпус, 6 — эл ек тр о л и т . 7 — т еф л о н о в ая м ем б ран а, А -— три а ц е ти л ц е л л ю л езн а я
м е м б р ан а, У — н е й л о н о в ая сетка
98
ГЛАВА 4. БИО ДАТЧИКИ
Г л у там аток си д азу закр еп ляли на три ац ети л ц ел лю л ёзн о й м ем бр а­
не 5 и п ом ещ ал и на теф л о н о ву ю м ем бран у 7 к и сл о р о д н о го м и кр о ­
д а т ч и к а и за щ и щ а л и н ей л о н о в о й сетк о й 9. И сп ы тан и я б и о д а т ч и к а
п ри во д и л и сь при оп р ед ел ен и и кон ц ен трац и и гл у там ата в д и ап азо н е
от 5 д о 50 м М . Н е л и н е й н о с т ь гр а д у и р о в о ч н о й х а р а к т е р и с т и к и не
п ревы сила 1 %.
П о виду в ы х о д н о го с и г н а л а б и о д ат ч и к и м ож н о у с л о в н о р а зд е ­
лить на акт ивны е и пассивны е. В активных биодатчиках вы ходны е ве­
личины имею т энергетическую природу, в пассивных — н еэн ергети ­
чески й парам етр.
С о з д ан ы а к ти в н ы е б и о д а т ч и к и , в х о д я щ и е в т е с т о в у ю си с те м у
« Э к о л ю м » с м о р ск и м и л ю м и н е сц е н тн ы м и б а к тер и я м и , у р о в е н ь о п ­
ти ч еск о го св ечен ия к оторы х за в и си т от степ ен и то к си ч н о сти среды
[4.2]. Э кспресс-анализ зд есь зан и м ает 5 мин. Реагенты производятся
в ко н сер в и р о ван н о й ф орм е сроком хран ен и я не м ен ее 6 м есяц ев. В
си стем е с вы сокой ч у в стви тел ь н о стью оп р ед ел яется н ал и ч и е тя ж е­
лы х м еталлов, ф енолов, пестицидов. О тм ечено, что реакци я систем ы
на основны е токсические вещ ества коррелируется с реакцией вы сш их
о р г а н и зм о в .
Не только высокая чувствительность биодатчиков, но и, главное, —
в о зм о ж н о с ть о п р ед ел и ть к о н ц ен тр ац и ю к ак о го -л и б о вещ ества, т. е.
в ы п о л н и т ь б и о х и м и ч е с к и й а н а л и з за о дн у о п е р а ц и ю , о п р е д е л я ю т
п о вы ш ен н ы й и н те р ес к б и о д а т ч и к а м . П ер с п ек ти в ы р а зв и ти я б и о ­
датчиков в будущ ем авторы связы ваю т с прим енением генной и био­
логи ческой инж енерии при создан и и биологических «искусственны х»
ч у в стви тел ь н ы х эл ем ен то в. Д ал ь н ей ш е е и сп о л ь зо ван и е м и к р о эл ек т­
р о н н о й т е х н о л о ги и п р и п р о и зв о д с т в е б и о д ат ч и к о в , р азв и ти е р аб о т
по п р и м е н е н и ю м и к р о п р о ц е с с о р о в п р и о б р а б о т к е и зм е р и т е л ь н ы х
сигналов позволят сущ ественно улучш ить их м етрологи чески е харак­
тер и сти к и и расш и ри ть область их при м енения.
С писок литературы к главе 4_______________________________________________
99
( ПИС ОК Л И Т Е РА Т У РЫ К ГЛАВЕ 4
4.1. Б иосенсоры : основы и прилож ения: Пер. с англ. / П од редак­
цией Э. Т ёрнера, И. К арубе, Дж. У илсона. — М.: М ир, 1992.— 614 с.
4.2. Ф иларет ов Г.Ф . Б иосенсоры и их при м ен ен и е // П риборы и
системы управления, — 1997. — № 7.
4.3. Тарасевич М. В., Богдановская В. А., Ж улт а ева Г. В. Э лектро­
хим ические биосенсоры // Электрохим ия. — 1993. — Т. 29 — № 12.
4.4. А лей н и к о в А .Ф . М н огоф ун к ц и он ал ьн ы е датчи ки . — Н о во си ­
бирск: СО РА С Х Н , 1991 — 36 с.
4.5. А лейников А. Ф. Создание новых средств измерений для АПК. —
Н овосибирск: А О ЗТ «Трина», 1993. - 160 с.
4 .6 . Д а т ч и к и и зм ер и те л ь н ы х си с те м : В 2 кн. К н. 2 / Ж . А ш ,
П. А ндре, П. Д егут идр. П ер. с франц. — М.: М ир, 1992. — 424 с.
4.7. А.с: 1523111, М КИ А 01 О 7 / 00. У стройство для изм ерения
влаж ности и тем пературы / А.Ф. А лейников. — № 4171692/30-15; Заявл. 30.12.86; О публ. 23.11.89. Бю л.
№
43.
4.8. А.с. 1604247,
М К И А 01 О
7 /
00.У стройство для изм е
те м п ературы и вл аж н о сти возд уха / А .Ф .А л ей н и ко в. — № 4 3 8 9 6 7 5 /
30-15; Заявл. 08.02.88; О п уб л. 07.11.90. Бю л. № 4 1 .
ГЛАВА 5
М ИКРОЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
И ЗГ О Т О В Л Е Н И Я Д А Т Ч И К О В
5.1.
О С Н О В Н Ы Е Э ТА П Ы К РЕ М Н И Е В О Й
М И КРО ЭЛЕКТРО Н Н О Й ТЕХНОЛОГИИ
В течен ие м ногих л ет кон струи рован и е и прои зво д ство датч и ков
б а зи р о в а л о с ь на те х н о л о ги я х м аш и н о ст р о ен и я и то ч н о й м ех ан и ки .
Э ти т е х н о л о ги и , буд учи д о с та то ч н о ги бк и м и и о тр а б о т ан н ы м и , д а ­
вал и р азр аб о тч и к ам ап п а р ат у р ы б ол ьш ую св о б о д у в в ы б о р е п р и н ­
ц и п о в д ей стви я и ва р и ан то в к о н стр у к ц и и д а тч и к о в . К ни ги , о п и с ы ­
ваю щ и е принципы дей стви я, у стр о й ств а и хар ак тер и сти к и датч и ков,
стал и н ап о м и н ать эн ц и кл оп ед и и . К ак п рави ло, каж дой к о н струкц и и
со о т в ет ст в о в ал а своя тех н о л о ги я и зго то вл ен и я д атч и ка, при чем д о ­
во л ьн о часто отд ел ьн ы е этапы те х н о л о ги ч ес к о го м ар ш р у та и зго то в­
ления бы ли производственны м секретом . Все это привело к том у, что
стои м ость датчиков резко возросла по сравнению со стоим остью ком ­
п о н ен то в эл ек тр о н н ы х схем . Э та р азн и ц а стан о в и л а сь все зам етн ее
по м ере уж есточения требован и й к точ н ости изм ерений.
М еж ду тем в м икроэлектронике — этом важ нейш ем секторе элек­
троники, определяю щ ем в зн ачи тельной м ере прогресс техн и ки в це­
л о м , — си т у ац и я о к а за л а с ь п р о т и в о п о л о ж н о й . П ри в о зр а с т а ю щ е й
сло ж н о сти эл ектрических схем их отн оси тельная сто и м о сть неуклон­
но падала. Это п рои зош л о б л а го д ар я п ри м ен ен и ю крем н и я как о с ­
новн ого эл ем ен та для п рои звод ства электрон н ы х схем и и сп о л ьзо ва­
нию сп е ц и ал ь н о й м и к р о эл ек тр о н н о й тех н о л о ги и .
5 1 Основные этапы кремниевой микроэлектронной технологии_______________
В се р ед и н е 60-х го д о в ст а л а ясн а п ер с п ек ти в н о с ть п р и м ен ен и я
м и к р о эл ек тр о н н о й т е х н о л о ги и и для п р о и зв о д ст в а датч и ко в . В п е р ­
вые новы е техн ол оги и п р ои звод ства бы ли успеш н о п рим енены при
создан и и д атч и ков м ехан и ч ески х вели чи н — д авл ен и й и ускорени й .
У ж е в 1974 году п о я в и л с я к а т а л о г ф и рм ы Н аИ опа! 8 е т 1С0 пёисЮ г
( и 8 А ), в к о то р о м о п и с ы в а л и с ь х а р а к т е р и с т и к и в ы п у с к аем ы х п р о ­
м ы ш ленны х д атч и ков [5.1]. П остепенно новы е тех н о л о ги и п р о и зво д­
ства, о сн о в ан н ы е на д о сти ж ен и ях м и кр о эл ек тр о н и к и , наш ли п р и м е­
нение при создан ии м агнитны х, терм ически х и хим ических датчиков.
В 80-х го д ах п о яви л и сь п ервы е со о б щ ен и я о р азр аб о тк е м и кр о ­
эл ектрон н ы х д атч и к о в рад и о ак ти в н о го и злучени я [5.2]. В 1982 году
вы ш ла б ол ьш ая обзорн ая статья К .П етер со н а [5.3], которая о бо б щ и ­
л а п рим ен ен и е м и кр о эл ек тр о н н о й техн ол оги и в п р ои звод стве д а тч и ­
ков и нам ети ла п ерспективы ее дал ьн ей ш его развития.
В н астоящ ее врем я тем пы р оста объем ов п р ои звод ства датчиков,
и зготавливаем ы х по м икроэлектронн ой технологии, п ревосходят тем ­
пы р о ста п рои звод ства обы чны х и н тегральны х схем . В значительной
м ере это яви л ось следстви ем сущ ественного сокращ ения труд озатрат
н а п р ои звод ство о д н ого д атч и ка и ум ен ьш ен и я его стоим ости.
П о я в л е н и е н о в ы х т е х н о л о г и й и зг о т о в л е н и я д а т ч и к о в о к а за л о
реш аю щ ее влияние на их конструкции и вы бор м атериалов. Эти кон ­
ст р у к ц и и и м ате р и ал ы д о л ж н ы б ы ть , п реж д е в с его , со в м е ст и м ы с
м и к р о эл ек тр о н н о й те х н о л о ги е й п р о и зво д ства ч у встви тельн ы х к р ем ­
н и евы х эл ем ен то в. В тех н о л о ги и п р о и зв о д ств а д а тч и к о в разли ч н ы х
ф изических величин оказалось много общ их операций и приемов, что,
хотя и не привело к созданию ун и версальн ой тех н о л о ги и и зго то вл е­
ния, значительно ум еньш ило трудоем кость изготовления и стоим ость
датчиков.
У читы вая и склю чи тельн ую рол ь крем ния как м атериала для д а т­
чи к о в, н ео б х о д и м о о с т а н о в и т ь с я н а его св о й ств ах и х а р а к т е р и с т и ­
ках п одробн ее.
В н ас то ящ е е врем я и в о б о зр и м о м буд ущ ем крем н и й о стан ется
основны м м атериалом м икроэлектроники. Э то объясняется рядом его
ун и кал ьн ы х ф и зи ч ески х и хим ических свой ств, из которы х м ож но
вы делить следую щ ие [5.3]:
1.
Кремний как исходный материал доступен и дешев, а технология
его получения, очистки, обработки и легирования хорош о развита, что
обесп ечи вает вы сокую степ ен ь кри стал лограф и ческо го совер ш ен ства
102
ГЛАВА 5. М И К Р О Э Л Е К Т Р О Н Н А Я Т Е Х Н О Л О Г И Я
ДАТЧИКОВ
изготавливаем ы х структур. Н еобходим о специально подчеркнуть, что
по этом у показателю крем ний нам ного превосходит сталь.
2.
К рем н ий об л ад ает х о р о ш и м и м ех ан и ч ески м и св о й ств ам и . По
зн ачен и ю м одуля Ю н га крем ни й п ри ближ ается к н ер ж авею щ ей ста­
л и и н ам н ого п р евосход и т к вар ц и р азл и ч н ы е стек л а. П о тв ер д о сти
крем н и й близок к кварц у и почти вдвое превосход и т ж елезо. М он о­
кристаллы кремния имею т предел текучести, которы й в три р аза боль­
ше, чем у н ерж авею щ ей стали. О дн ако при деф орм ац и и он разруш а­
ется без ви д и м ы х и зм ен е н и й р а зм е р о в , т о г д а как м етал л ы о б ы чн о
п ретерп еваю т пластическую деф орм ац и ю . П ричины разруш ения
к р ем н и я связан ы со с т р у к т у р н ы м и д е ф е к та м и к р и ста л л и ч ес к о й р е­
ш етки , р ас п о л о ж е н н ы м и на п о в е р х н о сти м о н о к р и с та л л о в к рем н и я.
П о л уп роводни ковая п ром ы ш л ен н ость усп еш н о реш ает п роблем у вы ­
с о к о к а ч е с тв е н н о й о б р а б о т к и п о в е р х н о сти крем н и я, та к что з а ч а с ­
тую кремниевые механические компоненты (например, упругие элем ен­
ты в датчиках давления) превосходят по прочности сталь. В табл. 5.1
указаны м еханические характеристики крем ния и других м атериалов,
п ри м ен яю щ и хся в датч и ках.
Т а б л и ц а 5.1
Сравнителбны е характеристики основны х м атериалов электроники
Материал
81
Сталь
(высшей
прочности)
Нержавеющая
сталь
А1
Предел
текучести,
(0''-9Па
Твердость,
кг/мм"^"
Модуль
Юнга,
10''" Па
Плот­
ность,
г/см'''
Теплопро­
водность,
Вт/см- С
70
850
1.9
2.3
1.57
Коэффициент
теплового
расширения,
10''"'/ ”С
2.33
4,2
1500
2,1
7,9
0,97
12
2.1
660
2.0
7.9
0.329
17.3
0.17
ПО
0.7
2.7
2.36
25
3. М и к р о эл ек тр о н н ая те х н о л о ги я и зготовл ен и я к р ем н и евы х п ри ­
б о р о в о с н о в а н а на п ри м ен ен и и то н к и х сл о ев, с о зд а в а е м ы х и он н ой
и м п лан тац ией или тер м и ч еско й ди ф ф узией атом ов леги р у ю щ ей при­
меси, что в сочетании с м етодам и вакуум ного осаж дения м еталлов на
к р ем н и евую п о вер х н о сть о к аза л о с ь весь м а у д о б н о дл я ц елей м и н и ­
ат ю р и зац и и и зд ел и й .
4 . Д ля в о с п р о и зв е д е н и я р а зм е р о в и ф орм стр у кту р к р ем н и евы х
п риборов исп ользуется м етод ф отол и тограф и и , обесп ечи ваю щ и й
вы со к у ю то ч н о с т ь и зго то вл ен и я.
5. !- Основные этапы кремниевой микроэлектронной технологии_______________ ‘ 05
5. К р ем н и евы е м и к р о эл ек тр о н н ы е при боры и зго та в л и в аю тся по
групповой техн ол оги и . Э то означает, что все п рои звод ствен н ы е про­
цессы осущ ествляю тся для целой к рем ниевой пластины , которая со ­
д ер ж и т н еск о л ь к о со тен о тд ел ьн ы х кр и стал л о в («чи п ов»). И то л ько
на п о сл едн ем эта п е и зго то в л е н и я п л асти н а р азд е л я етс я на к р и ста л ­
лы, которы е далее использую тся при сборке отдельны х приборов, что
в итоге резко сниж ает их себестоим ость.
6 . Для п роизвод ства датчиков особенно важ на сп особн ость крем ­
ния реаги ровать на разли ч н ы е виды воздействий: м еханические, теп ­
л о в ы е , м агн и тн ы е , х и м и ч е с к и е и э л е к т р и ч е с к и е . У н и в е р с а л ь н о с т ь
при м ен ен и я крем ния сп о со б ству ет сни ж ению сто и м о сти датч и ко в и
у н и ф и к ац и и т е х н о л о ги и их и зготовл ен и я.
В д а тч и к а х к рем н и й сл у ж и т п р ео б р азо в ат ел ем , о сн о в н о е н азн а­
чение которого — превращ ать изм еряем ое ф и зи ч еско е или хи м и чес­
кого воздействи е в эл ектрич ески й сигнал. Ф ункции крем ния в датч и ­
ках о к а з ы в а ю т с я з н а ч и т е л ь н о б о л е е ш и р о к и м и , ч ем в о б ы ч н ы х
и н теграл ьн ы х схем ах. Э то о б у с л о в л и в а ет н ек о то р ы е сп ец и ф и ч еск и е
о со б ен н о сти тех н о л о ги и и зго то вл ен и я к р ем н и евы х чу в стви тел ьн ы х
эл ем ентов.
В н асто ящ ей гл аве р ас см ат р и в аю т ся о со б ен н о с ти новы х т е х н о ­
логий изготовления датчиков. В первой части описаны основны е эта­
пы этих технологий, которы е и м ею т м ного общ его со стан дартн ы м и
тех н о л оги ч ески м и п роц ессам и, при м ен яем ы м и для п р ои зводства ин­
тегр ал ьн ы х схем.
Во второй части этой главы ан ал и зи рую тся н ек о то р ы е воп росы
т е х н о л о ги и и зг о т о в л е н и я п р е о б р а зо в а т е л е й д л я д а тч и к о в , к о то р ы е
либо не типичны , либо вообщ е сейчас не прим еняю тся в стандартной
м и кр оэлектронн ой техн ол оги и при производстве интегральн ы х схем .
Н ео б ходи м ость осо б о го р ассм о тр ен и я этих в о п р о со в св язан а с тем ,
что д атч и ки п р ед ст ав л яю т соб ой и зм ер и тел ьн ы е у стр о й ств а, и м ею ­
щ ие сп ец и ф и ч еск и е о со б ен н о с ти в кон струкц и ях . Х отя м и кр о эл ек т­
ронная технология сейчас используется в больщ ей или м еньщ ей м ере
в п рои звод стве всех ти п ов датчи ков, иллю страци я отдельн ы х тех н о ­
л о ги ч еск и х эта п о в и зго то в л е н и я б уд ет п р о во д и ть ся п р и м ен и тел ьн о
к датч и кам д авл ени я. И м енн о для этих датч и ко в к н асто ящ ем у вр е­
мени накоплен наибольщ ий опы т прим енения м икроэлектронны х тех ­
н о л о ги й .
104
ГЛАВА 5. М И К Р О Э Л Е К Т Р О Н Н А Я
ТЕХНОЛОГИЯ ДАТЧИКОВ
В за к л ю ч и тел ь н о й ч асти главы буд ут п р и веден ы п р и м ер ы схем
тех н ологических м арш рутов дл я конкретны х видов датч и ков и и зм е­
ри тел ьн ы х систем .
Р а с с м о т р и м те эта п ы м и к р о э л е к т р о н н о й т е х н о л о г и и к р ем н и я,
к о то р ы е явл яю тся о б щ и м и для п р о и зв о д с т в а и н те гр а л ь н ы х сх ем и
ч у в стви тельн ы х э л ем ен то в д атч и ков.
Д ля п р ои звод ства ин теграл ьн ы х схем и ч у в стви тельн ы х э л ем ен ­
тов д атч и ков н еобходим ы пластины м он о кр и стал л и ч еск о го крем ния.
П р и м е н ен и е пласти н явл яется п р и н ц и п и ал ь н о й о со б ен н о с ть ю м и к ­
р оэлектрон ной технологии, во м ногом предопределивш ей ее дальней­
ш ие успехи. В настоящ ее время полупроводниковая пром ы ш ленность
вы п у скает крем н и евы е пластины д и ам етром о т 76 до 2 0 0 мм, кото­
ры м п р и д ан а круглая ф орм а. И м еется четко вы р аж ен н ая тен ден ц и я
и сп о л ь зо ван и я в п р о и зво д стве п л асти н все бо л ьш его д и а м етр а , что
связан о с возм ож н остью пол учи ть н а них бо л ьш о е чи сл о и н тегр ал ь­
ных схем или чувстви тельны х элем ентов.
П ри получении крем ния исходны м сы рьем служ и т чи сты й песок
(кварцит). П есок вм есте с углеродом в виде угля, кокса и древесны х
о п и л о к загруж ается в эл ек трод угов ую печь. П ри п р о п у ск ан и и силь­
ного тока в см еси п рои сход ит ряд хим ических реакций, в результате
к о т о р ы х о б р а з у е т с я м е т а л л у р г и ч е с к и й к р е м н и й со с т е п е н ь ю
ч и сто ты 98 %. Э то т п р о ц есс ве сь м а эн ер го е м о к , а о б р а зо в а в ш и й ся
крем ний сод ерж и т м ного при м есей и тр еб у ет очи стки , ко то р ая про­
и зво д и тся х и м и ч еск и м и м ето д ам и . П осл е р я д а эта п о в э то й о чи стки
получаю тся п ол икри сталлически е к рем ниевы е слитки с н еобходим ой
для д а л ь н е й ш его п р о и зв о д с т в а с т еп е н ь ю чи сто ты . П о л и к р и с тал л и ческ и й крем н и й со сто и т из б о л ь ш о го ч и сл а неб о л ьш и х к ри сталлов,
и м ею щ и х х аоти ческ ую угловую ори ен тац и ю .
Д л я п ро и зво д ства и н теграл ьн ы х схем и чу в стви тел ьн ы х э л ем ен ­
тов датч и ков необходим м он окр и стал л и ч еск и й крем ний, т. е. такой,
где атом ы располож ены строго периодично на больш и х р асстоян и ях
в п р ед ел а х ц ел о го сл и т к а , в ы с о т а к о то р о го м о ж ет д о с т и г а т ь двух
м етров. К ром е того, м он окри стал л ы крем н и я долж ны со д ер ж ать м а­
лое количество прим еси — не более одного атом а примеси на 1 0 ’ ато­
м ов крем н и я. П о ск о л ьк у и сх о д н ы м сы р ье м для м о н о к р и с т а л л и ч е с ­
к ого к р ем н и я я в л я е т с я к р ем н и й п о л и к р и с т а л л и ч е с к и й , п о л у ч е н и е
п осл едн его с треб уем ой степен ью чи стоты — сам о сто ятел ьн ая сер ь­
езная техн и ческая проблем а.
1. Основные этапы кремниевой микроэлектронной технологии
105
О бы чно м о н о кр и стал л и ч еск и й крем ний в ви де сли тков больш и х
р азм еров п олучаю т по м етод у Ч охрал ьского [5.4]. В этом м етод е на
п ервом этап е п о л и к р и стал л и ч еск и й к рем н и й р ас п л ав л яе тс я с п о м о ­
ш ью в ы с о к о ч ас то т н о го р а зо гр е в а в и н ертн ом х и м и ч еск о м тигле. В
специальном держ ателе укрепляется затравка — небольш ой м он окри ­
сталл крем ния заданной к р и стал л о ф аф и ч еско й ориентации (рис. 5.1).
Рис. 5.1 Схемотическое представление кристаллографических плоскостей
и важнейших направлений в кубической элементарной ячейке
Н а втором этап е кр и стал л-затр ав ку п ри вод ят в со п р и к о сн о вен и е
с р асп л авом и затем м ед лен н о вы тяги ваю т. А то м ы крем н и я из р а с ­
п лава н ач и н аю т к р и ста л л и зо в ат ьс я на вы тяги ваем о м к р и ста л л е -зат­
р авке, п овторяя его к р и стал л о гр аф и ч еск у ю с ф у к т у р у . Д ля у л у ч ш е­
ния к ач ества в ы р ащ и ваем о го м о н о к р и стал л а д ер ж ател ь с затр авко й
вращ ается со ск о р о стью несколько об о р о то в в минуту.
В к ач естве л еги р у ю щ ей п ри м еси для созд ан и я крем ния с п р о во ­
ди м остью р -т и п а о б ы ч н о п ри м ен яю т б ор, а есл и н ео б х о ди м о п о л у ­
чить п ровод им ость л-типа, то д об авл яю т ф осф ор. П ри м еси вводятся
в расплав в виде порош ка.
В н ек оторы х сл у ч аях , н ап р и м ер д л я д атч и к о в яд ер н о го и зл у ч е­
ния, необходим особо чисты й крем ний. Для его получения использу­
ю т м етод зон н ой плавки. С литок п ол икристалли ч еского крем ния у с­
т а н а в л и в а ю т в е р т и к а л ь н о в с п е ц и а л ь н о м д е р ж а т е л е , и т и г е л ь не
требуется. С п ом ощ ью вы с о к о ч ас то тн о го р а зо гр е в а в п о ли крем н и е-
^06______________ГЛАВА 5. М И К Р О Э Л Е К Т Р О Н Н А Я Т Е Х Н О Л О Г И Я Д А Т Ч И К О В
вом к р и стал ле ф орм ируется зо н а р ас п л ава длиной около 1,5 см, ко­
то р ая п ер в о н ач ал ьн о со ед и н я ет низ к р и стал л а -затр а в к и и полик р е м н и е в ы й сл и то к . К о н с тр у к ц и я у с т а н о в к и п р е д у с м а т р и в а е т у п ­
р а в л я е м о е п е р е м е щ е н и е ж и д к о й зо н ы о т к р и с т а л л а - з а т р а в к и к
п р о ти в о п о л о ж н о м у краю сли тка. В п роц ессе дви ж ен и я зо н ы п р о и с­
х о д ят р о ст м о н о к р и стал л а и о д н о в р ем ен н о его очи стк а, так как р а ­
с т в о р и м о с т ь б о л ь ш и н с т в а п р и м есе й в ж и д к о й зо н е б о л ь ш е, чем в
твер д о м теле. Ж идкую зону, сод ерж ащ ую п рим еси, вы во дят на край
сл и тка и п осле затвердеван и я эту часть сл и тка отрезаю т. Д ля п овы ­
ш ен и я к а ч е с т в а о ч и с т к и ж и д к у ю зо н у м ож н о п р о в е с ти н ес к о л ь к о
р аз ч е р ез м о н о кр и стал л .
П осле вы ращ и ван ия сл и т к а б ок овую п о в е р х н о сть м о н о к р и с тал ­
л и ч е с к о го крем ния о б р а б а ты в аю т м ех ан и ч еск и , так что бы ди ам етр
с л и т к о в с о о т в е т с т в о в а л у с т а н о в л е н н о м у с т а н д а р т о м (н а п р и м е р ,
100 м м ). О б язател ьн ы й этап п о дготовки сл и тка — ш л и ф о вк а вдоль
его образую щ ей одного или нескольких базовы х срезов. Б азовы е сре­
зы у к азы в аю т о п р ед ел ен н ы е к р и ста л л о гр а ф и ч е ск и е н ап р авл ен и я на
п л ас ти н ах к р ем н и я, о тн о с и те л ь н о к о то р ы х о р и ен т и р у ю т ф о т о ш а б ­
л он ы и н теграл ьн ы х схем в проц ессе их прои звод ства. Н а пласти н ах
к р ем н и я н еб о л ьш о го д и а м е т р а и зго та в л и в ае тс я о д и н б а зо в ы й срез,
пластины бол ьш его д и ам етра им ею т д в а ср еза (осн овн ой и до п о л н и ­
те л ьн ы й ) для п овы ш ен и я то ч н о ст и р азм ещ ен и я ф о то ш аб л о н о в. Д ля
п о л у ч ен и я п о л у п р о в о д н и к о в ы х п л асти н сл и то к к р ем н и я р а зр е за ю т
п ер п ен д и к у л яр н о дл и н н о й оси . П л ас ти н ы ш л и ф у ю т и п о л и р у ю т до
14 класса чистоты . П ри производстве интегральны х схем полируется
то л ь к о о д н а с т о р о н а п л асти н ы , а д л я п р о и зв о д ств а чу в стви тел ьн ы х
э л ем ен т о в д атч и к о в за ч а сту ю н ео б х о д и м ы д в у ст о р о н н е п о л и р о в а н ­
ны е п ласти ны . К пластинам крем н и я п ред ъ явл яю тся ж естки е т р е б о ­
вания по точ н ости их кристал лограф и ческой ориентации. О бе повер­
хн о сти п ластины долж ны бы ть параллельн ы определен н ой плоскости
эл ем ен т ар н о й яч ей к и к р и ста л л а к рем н ия. Н а рис. 5.1 сх ем ати ч ески
п о к азан ы эл ем ен т ар н ая я ч ей к а и о б о зн ач ен и я важ н ей ш и х к р и ста л ­
л о граф и ческих плоскостей и направлений в крем нии, а в табл. 5.2 —
х ар а к тер н ы е р азм ер ы к р ем н и евы х п ластин .
Н а рис. 5.2 приведены важ нейш ие кристаллограф ические н аправ­
л ен и я б азо в ы х ср е зо в п л асти н к р ем н и я , вы п у ск аем ы х п р о м ы ш л ен ­
н о стью .
107
Основные этапы кремниевой микроэлектронной технологии
Таблица
5.2
Геом етрические параметры кремниевы х пластин диам етром 100 и 125 мм
Д и ам ет р п о д л о ж к и , мм
100
±
125 ± 0,5
О сн о вн о й б а зо в ы й срез, мм
3 0 ± 35
4 0 ± 45
Д о п о л н и те л ь н ы й б а з о в ы й срез, мм
16±
2 5 ± 30
1
20
Т о л щ и н а п о д л о ж к и , мм
0,5 ± 0,55
0,6 ± 0,65
Н еп л о ск о с тн о ст ь , м км
50
60
О р и ен та ц и я п о в е р х н о сти
(100)± Р
(100) ±
1»
(1 1 1 )±
( 1 1 1 )±
2
2
»
( I П ), /7 - тип
( 111), п - тип
1110 ]
[ПО]
180
,_т_______
О сновной
базовы й
О сновной
базов ы й
срез
срез
Ждо”
Лчло они гапьн ый
г4
ю ны й сри.з
(И Ю ), я - т и п
(100). р
^ Д ополнительны й
базов ы й срез
- тип
Рис 5.2. М аркировка кремниевых пластин с помощью базовых срезов.
Ориентация срезов зависит от типа проводимости пластины
и ее кристаллографической ориентации
»
‘ 08_____________ ГЛАВА 5. М И К Р О Э Л Е К Т Р О Н Н А Я Т Е Х Н О Л О Г И Я
ДАТЧИКОВ
КРЕМ НИЕВЫ Е ПЛАСТИНЫ С ЭП ИТАКСИ АЛ ЬН Ы М СЛОЕМ
В п р о и зво д стве и н тегр ал ьн ы х схем и м и кр о эл ек тр о н н ы х д а тч и ­
ков ш и роко прим еняю тся пластины с эп и такси ал ьны м и слоям и , б л а­
годаря чему удается оп ти м и зи ровать парам етры тран зи сто р о в ин тег­
р ал ь н ы х схем . В п р ои звод стве ч у в ст в и те л ь н ы х эл ем ен т о в д атч и ко в
м ехан и ческих величин си л ьн олегированны е эпи такси альны е слои ис­
пользую тся в качестве стоп-слоев для автом атической остановки про­
ц ессов травления при глубоком проф и л и рован и и исходн ы х крем н и е­
вы х пластин.
Т ер м и н эп и такси я п р и м ен яю т для оп и сан и я п р о ц ессо в вы р ащ и ­
вания тонких м онокри стал л и чески х слоев вещ ества на м о н о кр и стал ­
ли ческой подлож ке. П одлож ка играет ту же роль, что и затравочн ы й
кр и стал л в м етод е Ч о х р ал ьско го . Э п и так си ал ь н ы е п р о ц ессы п р о во ­
дятся при тем п ер ату р ах ниж е, чем те м п е р ат у р а п л авлен и я крем ния
(1415 °С ), что удобно в техн и ческом отнош ении. В н астоящ ее время
п р и м ен яю т два м ето д а п олучени я эп и такси ал ьн ы х слоев. О сн о вн о й
м етод и спользует технологию осаж дения слоев крем ния из п арогазо­
вой см еси . Д ругой м етод, п р и м ен ен и е к о то р о го в п о сл ед н ее врем я
и н тен си вн о расш и р яется, — м ето д м о л еку л яр н о -л у ч ево й эп и такси и
(М Л Э ). В этом м етоде эп и такси ал ьны й сл ой ф орм и руется к о н ден са­
цией в вакуум е н апы ляем ы х на п одлож ку м олекулярн ы х пучков.
Д ля вы ращ ивания эп и такси ал ьн о го крем ния из п ар о газо во й см е­
си чащ е всего прим еняется газообразны й тетрахл ори д крем ния 81С1^.
Т етр ах л о р и д крем ния в потоке газа н оси теля (об ы ч н о это вод о р о д)
до ставл яется в зону р еа к то р а, где н аход ятся крем н и евы е подлож ки.
П роцесс проводится при тем п ературах 900... 1200 °С, когд а п р ои схо­
ди т хи м и ческая реакция
8!С 14+ 2Н 2 - ^ 8ц, + 4 Н С 1,„.
К рем ний, получаю щ ийся в результате этой реакци и , 81.^, оседает
н а п о дл о ж ку и со зд ает эп и так си ал ь н ы й м о н о кр и стал л и ч еск и й слой.
Д о б а в л ен и е к п отоку в о д о р о д а н еб о л ьш и х к о л и ч еств газо о б р азн ы х
прим есей, содерж ащ их легирую щ и е элем енты , наприм ер арси н а А зН ,
и ли д и б о р ан а ВЩ^, п о зво л яет о д н о в р ем ен н о с росто м эп и та к с и ал ь ­
ной пленки проводить и ее легирован ие, создавая слои и- или р-ти п а
п р о во д и м ости . Т и п и чн ы е ск о р о сти р о ст а эп и такси ал ьн ы х п лен ок из
п ар о газо вой см еси составл яю т от 0,5 до 1,5 м км /м и н для ди ап азо н а
те м п е р ат у р 900... 1250 °С. О б ы ч н ы й ур о вен ь л еги р о в а н и я эп и такси -
5, 1. Основные этапы кремниевой микроэлектронной технологии_______________
альны х слоев не превы ш ает М О ” см"’. Это соответствует уровню кон­
цен трации п ри м еси в коллекторе транзистора при изготовлении его по
биполярной технологии. Толщ ина эпитаксиальных слоев обычно состав­
ляет 2...5 мкм, хотя в отдельны х случаях м ож ет достигать и 20 мкм.
О сн овн ое п реи м ущ ество м етод а м олекул ярн о -л у чево й эп и такси и
перед эпи таксией из п арогазовой см еси заклю ч ается в том , что про­
цесс п роводится при более низкой тем пературе. Т ем п ературн ы й д и а­
п азон М Л Э л еж и т в п р ед ел ах 4 0 0 ...8 0 0 “С. С н и ж ен и е тем п ер ату р ы
процесса ум еньш ает диф ф узию примеси из подлож ки в растущ ий слой
и позволяет создавать резкие границы между слоям и. Д ругое преим у­
щ ество м ето д а м о л е к у л я р н о -л у ч е в о й эп и та к с и и со с то и т в вы со к о й
то ч н о сти уп рав л ен и я м о л еку л яр н ы м и пучкам и и п ро ц ессо м л е г и р о ­
вания в целом , что п озвол яет со здавать слож ны е профили л еги р о ва­
ния в вы ращ и ваем ы х пленках.
О сн овн ы м и н ед остатк ам и м етод а М Л Э , кото р ы е п ока сд ер ж и ва­
ю т его прим енение, явл яю тся низкая ск о р о сть р о ста эп и так си ал ь н о ­
го слоя (от 0,01 до 0,3 м км /м ин) и вы сокая стоим ость самой установ­
ки эпитаксии. Т ем не м енее сам ы е уникальны е пленки и структуры на
этих пленках в настоящ ее время создаю тся м етодом МЛЭ, что, в час­
т н о сти , о б у с л о в л и в а ет и н тер ес к этом у м ето д у и при п р о и зво д стве
ч у в стви тельн ы х эл ем ен т о в датч и ко в .
К р е м н и е в ы е п л асти н ы с эп и т а к с и а л ь н ы м и сл о ям и или без них
являю тся исходны м и техн ол оги ч ески м и единицам и при производстве
и н тегральн ы х схем и чувстви тельн ы х эл ем ен то в датч и ков. Д ал ьн ей ­
ш ий те х н о л о ги ч ес к и й п роц есс и зготовл ен и я н ео б х о д и м ы х структур
м ож н о п ро во д и ть двум я разл и ч н ы м и путям и.
ОСНО ВНЫ Е С ХЕМ Ы К РЕМ Н И ЕВО Й М И К РО ЭЛЕК ТРО Н Н О Й ТЕХНОЛОГИИ
В н астоящ ее врем я сущ ествую т д в е осн овн ы е схем ы техн ологи и
к р ем н и евы х м и к р о эл ек тр о н н ы х п р и б о р о в ; б и п о л яр н ая и М Д П (м е ­
талл — д и э л е к т р и к — п о л у п р о во д н и к). Н азв ан и я тех н о л о ги й с о о т ­
в е тству ю т д в у м р азл и ч н ы м сх е м а м п о ст р о ен и я м и к р о э л е к тр о н н ы х
т р а н зи с т о р о в .
П о п е р е ч н о е с е ч е н и е б и п о л я р н о г о т р а н зи с т о р а п о к аза н о на
р и с. 5 .3 . Т ран зи сто р, п ред ставлен н ы й на этом ри сун ке, им еет э м и т­
тер (вы вод Е ) и коллектор и-типа проводи м ости (вы во д С) и базу рти п а п ровод и м ости (кон так т О ). Д ва р-п п ерехода эм иттер — б аза и
110
ГЛАВА 5. М И К Р О Э Л Е К Т Р О Н Н А Я Т Е Х Н О Л О Г И Я Д А Т Ч И К О В
коллектор — база в норм альном реж им е вклю чены: первый — в пря­
м ом н ап р авл ен и и , а в т о р о й — в о б р атн о м . В р езу л ь та те эл ек тр о н ы
инж ектирую тся из сильно л егирован ного эм и ттера (сим вол «’ ) в базу
тр а н зи сто р а. И н ж екти р о ван н ы е из эм и ттер а эл ек тро н ы в базе явл я­
ю тся н ео сн о вн ы м и н оси тел ям и и д ви ж утся б л аго д ар я ди ф ф у зи и по
н ап р авл ен и ю к колл ектору.
Оо
Ео
Г
,
п+
п - Э пи таксиальн ы й слой
п "-скры ты й слой
р - под лож ка
Р«с.5.3 Поперечное сечение биполярного п-р-п транзистора
П о ск о л ьк у п ереход к о л л е к т о р -б аза вклю чен в обр атн о м н ап р ав­
л ен и и , н еосн о вн ы е н о си тел и -эл ек тр о н ы затяги ваю тся полем р -п п е­
р ех о д а в коллектор и оп ределяю т его ток 1^,^.
В п р оц ессе ди ф ф узи онного движ ения через базу электрон м ож ет
п о встречаться с ды ркой и реком би н и ровать, в результате чего исчез­
нут один эл ектрон и о д н а ды рка. П оскольку б аза тр ан зи сто р а эл ек т­
ри чески нейтральна, исчезновение ды рки в результате реком би н ац ии
до л ж н о б ы ть к ом п ен си р ован о то к о м ч е р ез базо вы й к он такт, что с о ­
зд ает о дн у из со ставл яю щ и х б а зо в о го ток а. Д ве др у ги е со с та в л я ю ­
щ ие базового тока связаны с возм ож ны м переходом ды рок в область
эм и ттер а и инж екцией ды рок из к олл ектора в обл асть базы . В х о р о ­
ш о ск о н ст р у и р о в ан н о м т р а н зи с т о р е б азо вы й то к со с та в л я е т не б о ­
л е е 1 % о т то к а эм и ттер а. Д ля о б е сп е ч е н и я э то го базу п р и х о ди тся
д е л а т ь д о с т а т о ч н о то н к о й , чтобы в е р о я т н о с т ь р е к о м б и н а ц и и бы л а
во зм о ж н о м еньш ей. П роцессы диф ф узии эл ек трон ов х ар ак тер и зу ю т­
ся д и ф ф у зи он н ой длиной — р асстоян и ем , на котором к о н ц ен трац и я
и н ж екти р о ван н ы х эл ек тр о н о в в р езу л ь та те р ек о м б и н ац и и у м ен ь ш а­
ется в е раз. Д иф ф узионная длина I связана с коэф ф ициентом диф ф у­
зии О и врем енем диф ф узии > соотнош ением :
1 Основные этапы кремниевой микроэлектронной технологии
I
=л/Б 7.
Для ум еньш ения реком бинационны х потерь разм еры базы IV д о л ­
ж ны у д о в л етв о р и ть соотн о ш ен и ю :
IV « I .
И сходн ы е п л асти ны дл я и зготовлени я п -р -п тр ан зи сто р о в и м ею т
подлож ку р -ти п а, на к о то р о й вы ращ ен эп и такси ал ь н ы й слой с л а б о ­
легированного и-кремния. К оллекторны й р -п переход образуется те р ­
м ической диф ф узией прим еси р-тип а, в качестве которой обы чно ис­
п ользуется бор. Э м и ттер н ы й п ер ех о д ф о р м и р у ется ди ф ф узи ей
примеси и-типа (обы чно ф осф ор) в базовую область транзистора. Для
создания эф ф екти вн о раб отаю щ его эм иттера уровень его легирования
долж ен быть достаточно высок. В качестве легирую щ ей примеси иног­
да применяется мыщьяк.
О бласти р + (р и с .5.3 ) п ред н азн ач ен ы для и зо л яц и и тр ан зи сто р о в
друг от друга, а скры ты й п+ слой — для улучш ения частотны х харак­
т е р и с т и к т р а н зи с т о р о в . О б ы ч н ая о б л а с т ь п р и м ен ен и я б и п о л я р н о й
тех н о л о ги и — тр а н зи ст о р ы вы со к о ск о р о стн о й п ам яти и л о ги ч еск и е
п риборы . В н астоящ ее вр ем я в ч у в стви тельн ы х эл ем ен тах д атч и ко в
п р и м еняется в о сн о в н о м би п ол ярн ая технология.
П ер вы е б и п ол ярн ы е тр ан зи сторы с испол ьзо ван и ем терм и ческой
диффузии легирую щ ей примеси бы ли созданы в 1959 году. Спустя год
бы л создан практи ч ески й вари ан т п ри н ц и пиальн о н ового тр ан зи сто ­
ра, получивш его название М Д П -транзистор (м еталл — диэлектрик —
п о л у п р о в о д н и к ). С х е м а т а к о г о т р а н з и с т о р а п о к а з а н а на р и с. 5 .4 .
В подлож ке, н ап рим ер р -ти п а, ионн ы м л еги рован и ем или те р м и ч ес­
кой диф ф узией прим еси создаю тся две области и ти п а — сток и исток
(ко н так ты А и С). Н а то н к о м сл о е о к и сл а м еж д у сто ко м и и сто ко м
р асп о л агается м ета л л и ч ес к и й э л ек тр о д -за тв о р (к о н та к т В ). О б л асти
Ао
Во
Ср
Рис.5.4. Поперечное сечение и-канального М ДП-транзистора
4 2 ______________ГЛАВА 5. М И К Р О Э Л Е К Т Р О Н Н А Я Т Е Х Н О Л О Г И Я Д А Т Ч И К О В
стока и истока образую т с подложкой два встречно вклю ченны х р-п пе­
рехода.
Р аб о та М Д П -тр ан зи сто р а за в и си т о т соо тн о ш ен и я м еж ду н ап р я­
ж ен и ям и на его эл ектрод ах. К огда на базу не п одается н ап ряж ени е,
ток между истоком и стоком будет мал и равен обратном у току одно­
го из двух р -п п ереходов. П од ача на базо вы й эл ек тр о д п о л о ж и тел ь­
н о г о о т н о с и т е л ь н о п о д л о ж к и п о т е н ц и а л а п р и в о д и т к т о м у , ч то
н ео сн о вн ы е н осители в подл ож ке —- эл ек трон ы — будут акку м у л и ­
р о в а ть ся под затвором .
Е сли п ол ож и тел ьн ое н ап ряж ен и е п р ев о сх о д и т н екоторую х ар а к ­
тер и сти ч ескую величину, н азы ваем ую п ороговы м н ап ряж ени ем , под
затво р о м эл ек трон ов со б и рается больш е, чем средн яя ко н ц ен тр ац и я
ды рок в подлож ке р-типа, и возн икает канал «-типа, которы й со ед и ­
няет обл асти истока и стока транзи стора. Н а границе канала «-типа
и подлож ки р-типа возникает р-п переход, которы й сущ ествует до тех
пор, пока на б азе и м еется н еоб ходи м ы й п олож и тельн ы й потенциал.
П о аналогичной схем е м ож но построить тран зи сто р ы , у которы х
канал будет р-типа. В этом случае подлож ка долж на иметь «-тип про­
во д и м о сти , об л асти и стока и ст о к а ф о р м и р у ю тся тер м и ч еск о й д и ф ­
ф узией или ионной и м плантацией прим еси р-ти па, а на базу долж ен
п о д а в а тьс я о тр и ц а тел ь н ы й п о тен ц и ал .
И зм ен яя н ап р я ж е н и е н а за т в о р е , м ож н о эф ф е к т и в н о у п р ав л ять
т о к о м , теку щ и м в к ан ал е от и ст о к а к сто к у . О п и са н н ая ст р у к т у р а
д е й ств у ет как тв ер д о тел ь н ы й ан а л о г вакуум н ого три од а.
П р и в ед ен н ы е сх ем ы п о с т р о е н и я т р а н зи с т о р о в , н ес м о т р я на их
о тл и ч и е, и м ею т сх о д н ы е т е х н о л о ги ч е с к и е о п ер а ц и и и зго то в л е н и я.
Р азл и чаю тся тол ько число этих о п ерац и й , тр е б о в ан и я к у ровн ю л е­
гирован ия и качеству и сп ользуем ы х слоев. Т ехн ологи я и зготовления
М Д П тр а н зи ст о р о в п рощ е и деш ев ле, чем у би п о л яр н ы х . О дн ако в
М Д П те х н о л о ги и важ н ей ш ую р о л ь и граю т к ач ество п о д затв о р н о го
д и э л е к т р и к а и со сто ян и е п о вер х н о сти п ол уп ровод н и ка. Н а гран и ц е
ди электрик — полупроводник м ож ет накапливаться неподвиж ны й за­
ряд, прям о вли яю щ ий на хар ак тер и сти к и тран зи сто р о в. Эти п робле­
мы являю тся предм етом пристального вним ания техн ологов при м ас­
со во м п р о и зво д стве приборов.
В последую щ и х р азделах буд ут описаны о сн ов н ы е этапы м арш ­
р у та и зго то вл ен и я п ри б о р о в с п ри м ен ен и ем к рем н и ево й и н тегр ал ь­
ной тех н о л о ги и .
113
I Основные этапы кремниевой микроэлектронной технологии
П ри производстве м икроэлектронны х датчиков по биполярной тех­
нологии особое значение им ею т резисторы . Это связано с их ш ироким
прим енением в датчиках м еханических и терм ических величин. Н аиболь­
шее распростран ение получили две схемы построения резисторов, пока­
занны е на рис. 5.5. В первом варианте резистор ф орм ируется в эпитакси­
альной пленке, где С и Е — контакты к резистору и р-области обеспечиваю т
изоляцию резистора от других элем ентов электрической схемы. Во вто­
ром варианте резистор ф орм ируется с помощ ью терм ической диффузии
или ионной им плантацией прим еси прямо в исходной крем ниевой плас­
тине. Возникаю щ ий при этом р-п переход служ ит для изоляции резистора
от других элем ентов электрической схемы.
810^
3
п - эпитаксиальный
^
, п-*-
слой
р - подложка
а
Со
>
^
1
;
"
810.
7
/^-СЛОЙ
'Ш;
V " УП
7
п - под;южка
/
Рис.5.5 Поперечное сечение эпитаксиального (а)
и диффузионного (б) резисторов
Т Е Р М И Ч Е С К О Е ОКНС:ЛЕННЕ КРЕМ Н И Я
Д вуокись кремния 8 Ю ,, в силу уникального сочетания ф изико-хим и­
ческих свойств, во многом предопределила ш ирокое прим енение крем ­
4 4 ______________ ГЛАВА 5. М И К Р О Э Л Е К Т Р О Н Н А Я Т Е Х Н О Л О Г И Я Д А Т Ч И К О В
ния как м атериала для м икроэлектроники и дл я производства чувстви­
тельны х элем ентов датчиков.
П ленки двуокиси крем ния сл уж ат м аской при п роц ессах ди ф ф у­
зии и и онного леги рован и я, м огут и сп ол ьзоваться как п одзатворн ы й
ди эл ектр и к в п олевы х тр ан зи сто р ах (рис. 5.4), а такж е как п асси ви ­
рую щ ий слой, защ ищ аю щ и й элем енты эл ектрической схем ы от влия­
ния п о вер х н о стн ы х загр я зн ен и й . К ак д и эл ектр и к, дв у о ки сь крем ния
о б л а д а е т о тл и ч н ы м и и зо л и р у ю щ и м и с в о й с тв а м и б л а го д ар я св о ем у
вы со к о м у уд ел ьн о м у со п р о ти вл ен и ю .
Д ву ок и сь крем ния о бразуется на откры той п о вер х н о сти крем ния
в естествен ны х условиях при комнатной температуре. Толщ ина такого
окисла обы чно составляет 20...30 А и редко превосходит 40 А. О днако в
микроэлектронной технологии окисление крем ния проводят при тем п е­
ратуре 700... 1200 °С в специальны х кварцевых реакторах в атм осф ере кис­
ло р о да (сухое окисление) или паров воды (влаж ное окисление). Это по­
зволяет создать однородны е, бездеф ектны е пленки с различной степенью
плотности. О кисление крем ния начинается с его поверхности. В дальн ей ­
шем атомы кислорода диф ф ундирую т через слой наросш его окисла. П ри
сухом и влажном окислении кремния происходят химические реакции типа:
81 + О 2 —> 8 Ю 2
8 1 + 2 Н 2 0 -> 8 Ю 2 + 2 Н 2
Н а ранних стадиях окисления, когда толщ ин а окисного слоя м ала
и п р оц ессам и диф ф узии к и сл орода м ож но п ренебречь, то л щ и н а слоя
оки сл а X п р о п о р ц и о н ал ь н а врем ен и оки сл ен и я I и п лотн ости атом ов
на п о вер х н о сти N
х=СШ ,
где С — некоторая постоянная.
Т ак как п л о тн о с ть ат о м о в н а к р и с т а л л о г р а ф и ч е с к о й п л о ск о сти
( 1 1 1 ) вы ш е, чем на плоскости ( 1 0 0 ), то и плотность о к и сл а о к азы ва­
ется разн ой при оди н аковом врем ен и окисления.
При большой толщ ине окисла (> 0,01 мкм) скорость окисления опре­
деляется процессом диф ф узии кислорода через окисел. В этом случае
толщ ина окисла х и время окисления связаны нелинейным соотношением
х~ >/Б7 ,
где О — коэф ф иц иент диф фузии.
1 Основные этапы кремниевой микроэлектронной технологии_______________4 ^
Т ем пературны е коэф ф иц иен ты л и н ей н ого расш и рен и я крем ния и
д в у о к и с и к р е м н и я о т л и ч а ю т с я д о в о л ь н о за м е т н о : 2 , 5 1 0 ‘* 1 /гр ад
и 0,5 10 ** 1/град. П оскольку процессы оки слени я п роводятся при вы со­
ких тем пературах (обы ч н о
> 900 °С ), вблизи границы 81 - 810^ воз­
никаю т терм ом ехан и ческ и е напряж ения. И зм ерения, проведен н ы е при
комнатной тем пературе, п осле терм и ч еского оки слен и я крем ния, пока­
зываю т, что 810^ находится в состоян и и сж атия, при этом упругие на­
пряж ения п ри м ерно равны 3 10* Н /м ^ Т ерм ом ехани чески е напряж ения
на границе 81 - 810^ м огут п ривести к короблению крем н и евы х пластин,
разры ву оки сл а и появлени ю деф ектов в п ри п оверхн остн ом слое к р ем ­
ния. Эти тер м о м ех ан и ч еск и е н ап ряж ени я деф о р м и р у ю т м ем бран н ы е
упругие элем енты датчиков давления.
Л И ТО Г Р А Ф И Я
Важ нейш ей частью технологического п роцесса изготовления интег­
ральны х схем и чувствительны х элем ентов датчиков является литогра­
фия. Идея этого м етода восходит к концу восем надцатого века, однако
практическое прим енение в полупроводниковой пром ы ш ленности ли тог­
рафия наш ла только в 60-х годах наш его столетия. К настоящ ему времени
сущ ествует несколько вариантов литограф ии: фотолитограф ия, рентгено­
вская литограф ия, электронно-лучевая литограф ия, из которых наиболь­
шее прим енение в силу простоты им еет фотолитограф ия.
В м етоде ф отолитограф ии исходной структурой является пластина
кремния, покры тая слоем двуокиси кремния, нанесенны м с одной или с
двух сторон. В обы чной м икроэлектронике все элем енты электрической
схемы разм ещ аю тся только на одной стороне крем ниевой пластины, по­
этому используется одн осторонняя литограф ия. П ри производстве датчи­
ков, в связи с необходим остью трехм ерного профилирования упругих эле­
ментов, широко прим еняю т двусторонню ю ф отолитографию .
Двуокись кремния, благодаря уникальным физико-химическим свой­
ствам, играет роль защ итной маски на всех ступенях технологического про­
цесса создания полупроводниковых структур.
Н а к рем н и евую п л асти н у н ан о сят тон к и й о д н о р о д н ы й слой п о ­
л и м ера, н азы ваем ого ф оторези стом , которы й обл адает сп особн остью
и зм енять свои свойства под действием ультраф иолетового излучения.
Ф оторезисты делятся на два типа; позитивны е и негативные. В негатив­
ном ф оторезисте под дей ствием излучения между м олекулами полимера
4 6 _____________ГЛАВА 5, М И КРОЭ ЛЕ КТ РОН НАЯ Т ЕХ НОЛ ОГИЯ ДАТЧИКОВ
возникаю т дополнительны е связи, в результате чего он становится более
устойчив к действию органических растворителей. В таких растворителях
неэкспонированные участки фоторезиста удаляются, а экспонированные ос­
таю тся на поверхности двуокиси кремния.
В п ози ти вн ы х ф о то р е зи ст ах п од д ей стви ем у л ьт р аф и о л е то в о го
о блучен ия связи м еж ду м олекул ам и о сл аб л яю тся, п оэтом у о б л у ч ен ­
ные у ч астк и ф о то р ези ста у д ал яю тся в о р ган и ч ес к и х р аство р и тел ях .
На н еоб лучен н ы х участках пл асти н ы ф о то р е зи ст о стается, защ ищ ая
н и ж ележ ащ ие слои.
Д ля форм ирования необходим ого рисунка на ф оторезисте и крем ­
н и ев о й п л ас ти н е п р и м ен яю тс я ф о то ш а б л о н ы . Ф о т о ш аб л о н ы п р е д ­
ставл яю т собой стек л ян н ы е пластин ы с хорош о о б р аб о тан н ы м и по­
верхностям и, на одну из которы х напы лением м еталла н анесен необ­
ходим ы й рисунок, соо тветству ю щ и й тех н о л о ги ч еско й о п ерац и и .
Ч ер ед о ван и е светлы х и тем ны х областей на ф отош абл о н е после зас­
ветки и обработки растворителям и оставляет на поверхности крем ни­
евой пластины места, защ ищ енны е ф оторезистом и свободны е от него.
О п тическая ли тограф ия обесп еч и в ает создани е структур с р азм е­
рам и п оряд ка длины волны п рим еняем ого излучения — около 1 мкм
и вы сокую п ро и зво д и тел ьн о сть — д о нескол ьки х д еся тк о в эк сп о зи ­
ций в час. Н е о б х о д и м о с т ь м и н и а т ю р и за ц и и о т д е л ь н ы х э л е м е н т о в
интегральн ы х схем привела к возн икн овени ю вариантов л и тограф и и ,
где используется облуч ен и е с б ол ее короткой длиной волны .
Д ля увели чен и я разр еш аю щ ей сп о со б н о сти л и то гр аф и и в н асто ­
ящ ее вр ем я стал и при м ен ять р ен тге н о л и то гр аф и ю и эл ек тр о н н о -л у ­
чеву ю л и то гр аф и ю . П ри н ц и п д е й ст в и я р ен т ге н о л и т о г р а ф и и а н а л о ­
ги ч ен ф о т о л и т о гр а ф и и , то л ь к о в м ес то у л ь т р а ф и о л е т о в о й за с в е т к и
используется рентгеновское облучение. У м еньш ение длины волны об­
лучен и я тр еб у ет сп ец и ал ьн ы х р ен тге н о ф о то ш а б л о н о в и р ен тген о р езистов. Рентгеновская литограф ия обеспечивает разреш ение на уровне
0,5 мкм.
Э л е к тр о н н о -л у ч е в ая л и то гр а ф и я п р о в о д и тся с п о м о щ ь ю п о то ка
электронов, движ ением которы х уп равляет с вы сокой точностью элек­
тром агнитная отклоняю щ ая систем а. В этом виде ли тограф и и не тр е­
буется п рим ен ять сп ец и ал ьн ы е ш аблоны и у п р авл ен и е эл ектр о н н ы м
пучком ведется с пом ощ ью Э В М . Р азреш ен и е эл ек тр о н н о й л и то гр а­
ф ии л еж ит в диапазоне 0,3...0,5 мкм. П роцесс электронной литограф ии
5 1, Основные этапы кремниевой микроэлектронной технологии_______________
ПО производительности значительно уступает и ф ото- и рентгенолитогра­
фии, поскольку электронный луч должен просканировать всю поверхность
пластины. Рентгеновская и электронная литограф ии в производстве по­
лупроводниковы х датчиков пока ш ирокого прим енения не получили.
П омим о переноса изображ ения, в процессе ф отолитограф ии важную
роль играет травление экспонированны х участков ф оторези ста и защ ит­
ных пленок, находящ ихся под ф оторезистом на поверхности кремния.
М етоды травления, прим еняем ы е в м икроэлектронной технологии, могут
бы ть разделены на две категории — ж идкостны е и сухие (плазм охим и­
ческое травление).
Л ю б ой п роц есс тр авл ен и я хар ак тер и зу ется ск о р о стью травл ен и я
и степенью анизотропии. С корость травления — это глубина тр авл е­
ния (п о верти кал и ), д е л ен н а я на врем я травл ен и я. С к о р о сти тр а в л е­
ния различны х вещ еств одним и тем же травителем м огут отличаться
о чен ь сильно. О тн ош ен и е ск оростей травл ен и я двух разн ы х м атер и ­
алов п озволяет оц ен и ть сел ек ти вн о сть трави тел я. В м и кр о эл ек тр о н ­
ной технологии стрем ятся прим енять травители с возм ож но более вы ­
сокой селективностью , чтобы обеспечить резкие границы раздела меж ду
различны м и м атериалам и.
С теп ен ь ан и зо тр о п и и п роц есса травл ен и я оп р ед ел яю т ср авн ен и ­
ем верти кал ьн ой и гор и зо н тальн о й (л атер ал ьн о й ) ск о р о стей тр а в л е­
ния. Е сли вер ти к ал ьн ая с к о р о с ть зн а ч и тел ьн о б о л ьш е л атер ал ь н о й ,
то п роцесс тр авл ен и я о бл адает вы сокой степ енью ан и зотроп и и . П ри
этом в п роц ессе травл ен и я м и ним ально и ск аж аю тся р азм еры стр у к ­
туры о тн оси тел ьн о и зоб раж ен и я на поверхн ости ф о то р ези ста, с ф о р ­
м и р о ван н ого ф о то ш аб л о н о м . С тенки углублений в ф о то р ези сте или
в защ итной м аске, сф орм и рован н ы е в таком процессе травления, как
правило, являю тся верти кал ьн ы м и . В и зотроп н ы х трави телях ск о р о ­
сти тр авл ен и я в вер ти к ал ьн о м и л атер ал ь н о м н ап р авл ен и ях ср а в н и ­
мы м еж ду соб ой или д а ж е равны . В результате су щ ествую т сильное
б о к о вое п о д тр авл и в ан и е и и ск аж ен и е р азм е р о в стр у кту р ы на к р ем ­
н иевой п ласти н е о тн о с и тел ь н о ф ото ш аб л о н а.
П роцесс ж и д к остн ого травления пред ставл яет м ногоступ ен чатую
хи м и ческую реакцию , в к оторой м ож но вы делить три этапа:
1) доставка ком понентов реакции к поверхности, на которой про­
ходи т х и м и ческ ое взаи м од ей стви е;
2) сам а хим ическая реакция;
3) удаление продуктов реакции от поверхности.
118
ГЛАВА 5. М И К РО Э Л Е К Т РО Н Н А Я ТЕХ Н О Л О Г И Я ДАТЧИКОВ
Ж и д костн ое травл ен и е и м еет вы сокую прои звод и тельн о сть и при­
м ен яется очень ш ироко. Его о сн о в н ы е н ед остатки — это н евы сокая с те­
пень чистоты травителей, в результате чего поверхн о сть полуп роводн и ­
ковой пластины м ож ет загрязн яться, и сл ож н ость ути ли зац и и отходов
травления.
В н астоящ ее врем я и н тен си вн о развиваю тся м етоды п лазм охи м и ­
ческого (сухого) травления, свобод н ы е от указанн ы х вы ш е н ед о стат­
ков. В это м м ето д е т р а в л е н и я в р еа к ц и и у ч а с т в у ю т и о н ы п лазм ы ,
к о то р ая со зд а етс я в о зд ей с тв и е м в ы с о к о ч а с т о т н о го э л е к т р о м а г н и т ­
ного поля на газовую см есь определенного состава. У пом януты е вы ш е
три этап а хим ической реакци и в ж идкости сущ ествую т и при плазм о­
х и м и ч ес к о м тр а в л е н и и . Н а п р о ц ес с п л а зм о х и м и ч е с к о го т р а в л ен и я
вл и яет м н ого ф акторов: со став см еси газов, те м п ер ату р а, м о щ н о сть
э л ек тр о м агн и тн о го поля, п о д в о д и м ая к п лазм е, в е л и ч и н а и р а с п р е ­
деление электрического поля в эксперим ентальн ой установке. Н есм от­
ря на сравнительно больш ое количество влияю щ их ф акторов, область
прим енения сухого травления постепенно расш иряется, в том числе и
в п р о и зв о д ств е м и к р о эл ек тр о н н ы х датч и ко в .
Т Е Р М И Ч Е С К А Я Д И Ф Ф У ЗИ Я
В конце 50-х и начале 60-х годов бы ли проведены п одробны е ис­
следования по введению л егирую щ ей прим еси в крем ний с пом ощ ью
тер м и ч еско й диф ф узи и. Эти и ссл ед о ван и я н еп оср ед ствен н о при вели
к п о яв л е н и ю и н те гр а л ьн ы х сх ем . П р ак ти ч еск и о д н о в р ем ен н о с ин­
тегр ал ьн ы м и схем ам и п ояви л и сь п ервы е п ол уп р о во д н и ко вы е д а тч и ­
ки м ех ан и ч ески х вели чи и на о сн о в е и н тегральн ы х тен зо р ези сто р о в.
О сн о в н а я п р и ч и н а у с п е ш н о го п р и м ен ен и я м ето д а те р м и ч е с к о й
ди ф ф у зи и в м и к р о эл ек тр о н н о й т е х н о л о ги и зак л ю ч ается в о б е сп е ч е­
нии к о н троли руем ого и зм енения эл ек тр о п р о во д н о сти крем ния путем
введ ен и я зад ан н ого ко л и ч ества прим еси.
И сх од н ы м и структурам и дл я п р оведен и я п р оц ессо в тер м и ч еско й
диф ф узии являю тся к р ем н и евы е пластины , п окры ты е защ и тн о й м ас­
кой из д вуоки си крем ния. В это й м аск е п р ед вари тел ьн о с пом ощ ью
ф ото л и тограф и и вскры ваю тся окна в тех частях п ластины , где н ео б­
х о д и м о со зд а ть о п р ед ел е н н ы й ти п п р о в о д и м о с ти и за д а т ь нуж ную
концентрацию легирую щ ей прим еси в области базы, эм иттера или кол­
лектора интегрального транзистора.
3 I Основные этапы кремниевой микроэлектронной технологии_______________ 4 ^
О бы чны м и прим есям и, которые вводят в крем ний для создания про­
водимости «-типа, являю тся ф осф ор и м ы ш ьяк, а для получения проводи­
мости р-ти па — бор. Л егирую щ ие атомы м огут бы ть введены в крем ние­
вые подложки путем диффузии:
1) из хим ического источника, находящ егося в п арообразной фазе;
2) из л еги рован н ы х окислов;
3) из ионно-им плантированны х слоев.
П роц есс ди ф ф узи и п роводится в два этапа.
Н а первом этапе ди ф ф узи и в области к рем ни евой пластины , сво ­
бодны е от защ итной м аски, вводят некоторое количество примеси
П р о ц ес с п р о в о д и тся при т щ а те л ь н о м к о н тр о л е за т е м п е р а т у р о й и
временем диф ф узии 1^.
В ходе в т о р о го эта п а п ер е р ас п р ед ел яе тся л еги р у ю щ ая прим есь.
Э тот этап проходит при иной тем пературе, чем первы й, и им еет дру­
гую п р о д о л ж и тел ьн о сть 1^. К ак прави ло, т е м п е р ат у р а вто р о го этап а
вы ш е, а п родол ж и тел ьн ость больш е, чем п ервого, так что 1 ^ » 1^.
Л е ги р у ю щ а я п р и м есь , д и ф ф у н д и р у я о т п о в е р х н о сти кр ем н и я в
глубину, расп ред ел яется по толщ и н е кри сталла по закону:
Л '(х /) = - = Е = е х р
д/тгПз/,
X
2
б
где П, — коэф ф ици ен т диф ф узии на втором этапе.
П роцесс диф ф узии осущ ествляется в специальны х диф ф узионны х
п ечах в чи сты х кварц евы х р еак то р ах , где т е м п е р ат у р а п о д д ер ж и ва­
ется с п о гр еш н о стью , не п р ев ы ш аю щ ей 1 °С. О б ы ч н о те м п ер ату р а
диф ф узии леж ит в ди апазоне 900... 1150 °С. В зависим ости от необхо­
д и м о й степ ен и л еги р о в а н и я вр ем я ди ф ф узи и со с та в л яет от н еско л ь­
ких м инут до нескольких часов.
И онное л еги р о ван и е — один из сам ы х расп р о стр ан ен н ы х сп о со ­
бов введения л еги рую щ ей прим еси в кристалл. Зд есь из ионов леги ­
р ую щ ей при м еси б ора или ф осф ора ф орм и руется ионны й пучок, ко­
то р ы й н ап р а в л яе тся на к р ем н и еву ю п ластину. С и стем а э л ек тр о м аг­
нитного управления п озволяет изм енять н аправление движ ения ионов
и о б есп еч и в ать ск ан и р о в ан и е пучком всей п овер х н о сти крем н и ево й
пластины . И оны у ск оряю тся до энергии 50...200 кэВ и, сталкиваясь с
поверхностью кремния и его атомами в его объеме, теряю т свою энергию
на глубине 100... 10000 А П роцесс столкновения внедренны х ионов с ато­
_____________ГЛАВА 5. М И КРОЭ ЛЕ КТ РОН НАЯ Т ЕХ НОЛ ОГИЯ ДАТЧИКОВ
мами кристаллической реш етки носит случайны й характер. Расстояние,
которое п роходит ион в н ап равл ен и и п ерп ен ди кул яр н о п о вер х н о сти
кристалла до остановки, назы ваю т проецированной длиной пробега Я .
Поскольку
— случайная величина, для характеристики положения ионов
обы чно указываю т флуктуацию или рассеяние проецированной длины Ай .
Распределение внедренных ионов по глубине кристалла приближ ен­
но описы вается выражением
У (х ) = ^ = ^
ехр
л12пАЯ^
где ^ — коли ч ество и он ов п ри м еси , п ер ен есен н ы х к п л асти н е и он ­
ным пучком , которое хорош о кон трол и руется по току ионов.
С то л кн овен и е ионов пучка с атом ам и крем н и ево й п одл о ж ки вы ­
зы вает м н огочи сленны е наруш ения кри стал ли ч еской структуры . Д ля
их у стр ан ен и я п р и м ен яется сп е ц и ал ь н ы й вы с о к о тем п ер а ту р н ы й о т­
ж иг при тем пературах 600...900 °С.
М е то д введен и я л еги р у ю щ ей п р и м еси с п о м о щ ью и он н ой и м п ­
л ан тац и и в настоящ ее врем я н аи б олее р асп р о стр ан ен в п р о м ы ш л ен ­
ности бл агодаря вы сокой п р о и зво д и тел ь н о сти и хо р о ш ей в о сп р о и з­
во д и м о сти процесса.
О С А Ж Д ЕН И Е Д И Э Л Е К Т РИ Ч Е С К И Х П Л Е Н О К И П О Л И К Р И С Т А Л Л И Ч Е С К О ГО
КРЕМ НИЯ
Т ех н и к а осаж д ен и я п л ен ок ш и р о к о п р и м ен яе тся в м и к р о э л е к т ­
ронном производстве. С течением врем ени роль пленочны х технологий
непрерывно возрастает. Это связано с ш ирокими функциональны ми воз­
м ож ностями пленок, с помощ ью которых можно формировать проводники
интегральной схемы, осущ ествлять диэлектрическую изоляцию между ме­
таллами, а такж е защ ищ ать поверхности от влияния окружаю щ ей среды.
О саж даемы е пленки должны удовлетворять ряду требований, из которых
самы ми важными являются: воспроизводимость состава, однородность по
толщ ине, безопасность производства и деш евизна.
В настоящ ее время в качестве м атериалов для пленок ш ироко исполь­
зую т поликристаллический кремний, нитрид креМния и двуокись крем ­
ния. О бы чно эти пленки получаю т в специальны х хим ических реакторах
осаж дением из парогазовы х см есей при атм осф ерном или пониженном
давлении.
5
1. Основные этапы кремниевой микроэлектронной технологии_______________ ‘21
П оли кри сталли чески й крем ний ф орм ируется путем терм и ческого
разлож ения газа силана — 81Н,, при тем пературах 600...650 °С. П ри этом
происходит хим ическая реакция
81Н4 ^ 8 ! + 2 Н 2
.
К рем ни й осаж д ается, как правило, на ди эл ектр и ч еск у ю п о д л о ж ­
ку, в результате чего растет поли кри сталлическая пленка. П оли крем ­
ний м ож ет бы ть леги рован путем диф фузии, ионной имплантации или
введением д об ав ок в газовую ' см есь в ходе осаж дения пленки. Таким
путем ф о р м и р у ю тся п р о в о д я щ и е д о р о ж к и э л е к тр и ч е с к о й р азв о д к и
и н тегральны х схем или затворы для М Д П тран зи сто р о в. П ри п рои з­
водстве д атч и ков си л ьн ол еги рован н ы е п ол и крем н и евы е слои служ ат
для ф о р м и р о ван и я те н зо р ези с то р о в на д и эл ектр и ч еск о м о сн ован и и .
Д ля этих целей в н астоящ ее врем я п ри м ен яю т то л ь к о п ол и кр ем н и е­
вы е слои р -ти п а п р о во д и м о сти . Т и п и ч н ая то л щ и н а о саж д ен н ы х поли крем н и евы х пленок л еж и т в ди апазоне 0.4...0 .6 мкм.
П ленки двуокиси крем ния м огут осаж даться как с леги рую щ и м и
д о б ав к а м и , та к и без них. Н аи б о л ее р а с п р о с т р а н е н ы н е л е ги р о в а н ­
ные пленки, которы е м ож н о и сп о л ь зо вать л и б о в к ач естве и зо л ято ­
ра, либо как защ итную м аску в процессах диф ф узии или ионной им ­
плантации. В настоящ ее время прим еняю т несколько методов осаж дения.
О дин из н их основан на использовании хим ической реакции меж ду газом
силаном 8 1 и кислородом;
81Н4-НО2 ^ 8 1 0 2 -н2 Н 2
.
Р еак ц и я п р о т е к а е т при т е м п е р а т у р е 3 0 0 ...4 5 0
С р а в н и те л ь н о
низкая тем п ер ату р а осаж д ен и я п озвол яет исп ол ьзо вать слой дву о ки ­
си крем ния для защ и ты п овер х н о сти п о л у п р о во д н и ко вы х п ри боров
От влияния окруж аю щ ей среды на последнем техн ологи ческом этап е
и зг о т о в л е н и я , к о гд а э л е к т р и ч е с к а я р а з в о д к а в н у т р и п р и б о р а уж е
нанесена. Т олщ ина окисны х пленок обы чно л еж и т в ди ап азоне
0 ,0 1 ...0,4 мкм.
Д ругой м етод основан на создании пленок нитрида кремния 81,П,,.
К ром е то го , что п л ен к и н и тр и д а к р ем н и я и м ею т вы со к и е э л е к т р о ­
и зо л яц и о н н ы е св о й ств а, они п р ед ст ав л яю т соб о й н ад еж н ы й бар ьер
для диф ф узии м олекул воды или ионов щ елочны х м еталлов, которы е
вызываю т коррозию электрической разводки и н теф ал ьн ы х схем и неста­
бильность электрических характеристик полупроводниковых приборов.
^22____________ ГЛАВА 5. М И КРОЭ ЛЕКТРОН НАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ДАТЧИКОВ
Пленки нитрида кремния чащ е всего получаю т за счет реакции между силаном и аммиаком П Н , при температурах 700...900 °С:
З51Н 4 +4П Н
3
^ 51П4 + 1 2 Н 2
Тонкие слои нитрида крем ния являю тся эффективной защ итной м ас­
кой в процессах анизотропного травления, ш ироко прим еняемы х при про­
изводстве датчиков для ф орм ирования трехм ерны х крем ниевы х структур.
М Е Т А Л Л И ЗА Ц И Я И В Н У Т Р Е Н Н И Е С О Е Д И Н Е Н И Я
М еталлические пленки служ ат для создания проводников, объединя­
ю щ их различны е элементы интегральной схемы или датчика, а такж е для
обеспечения контакта между крем нием и внеш ними вы водящ им и провод­
никами прибора. К этим пленкам предъявляю тся высокие требования од­
нородности по толщ ине, стабильности электрических характеристик, хо­
рош ей проводим ости и устойчивости против коррозии.
в подавляю щ ем больш инстве интегральны х схем и м и кроэлектрон­
ных датчиков использую тся алю м иниевы е пленки или пленки на основе
сплавов алю миния. Эти пленки обладаю т хорош ей адгезией к подложкам
из двуокиси кремния и им ею т низкое значение удельного сопротивления
р « 2.7 ■ Ю *" Ом см. С ущ ествует несколько технологий осаж дения алю м и­
ниевых пленок:
1 ) и сп арен ие с испол ьзован и ем рези сти вн ого нагрева;
2 ) электронное лучевое испарение;
3) м агн етр о н н о е распы ление.
К аж ды й из м етодов им еет свои д остои н ства и н едостатки и при­
м ен яется в зави си м ости о т кон кретн ы х тр ебован и й к п риборам .
С ам ы й простой м ето д — н ан есен и е ал ю м и н и евой п л ен ки путем
тер м и ч еско го испарения. В этом м етод е на спираль из ту го п л авко го
м етал ла, наприм ер вол ьф рам а, н ав еш и ваю т н еб ол ьш и е кусочки п р о ­
волоки (н авески) из алю м иния. П роцесс исп арен и я п ро х о ди т в ваку­
ум е, а н еоб ходи м ая тем п ер ату р а п р о ц есса задается н агр ево м вольф ­
р ам о во й спирали. П р еи м ущ ествам и м етод а являю тся его п р о сто та и
д е ш е в и з н а , н е д о с т а тк о м — в о зм о ж н о с т ь за гр я зн е н и я о с а ж д а е м о й
плен ки м атериалом н агревателя. Э то т н ед остаток тер м и ч еск о го р ас­
пы ления у стран яю т в других м етод ах получен ия м етал ли ч ески х п ле­
нок с п ом ощ ью направл ен н ого д в и ж ен и я эл ек тр о н н о го л у ч а по р ас­
пы ляемой миш ени. Э лектронны м лучом м ож но эф ф ективно управлять с
пом ощ ью электрического или м агнитного поля.
5 2. Специальные вопросы технологии микроэлектронных датчиков___________
Н аряду с ал ю м и н и ем для создани я п ровод н и ко в и со еди н ен и й в
м и кр оэл ек трон н ой техн ол оги и п ри м ен яю т и дру ги е м еталлы , нап ри ­
м ер ти тан , вол ьф рам , м оли б ден , а такж е соеди н ен и я крем н и я с м о ­
л и б д ен о м и тан тал о м . О сн о вн о й ин терес к п р и м ен ен и ю дру ги х м е­
таллов связан с возм ож ностью повы ш ения надеж ности работы приборов
и с расш ирением тем пературного диапазона работы .
5.2
. С П ЕЦ И А Л ЬН Ы Е ВО П Р О С Ы ТЕХН О ЛО ГИ И
М И КРО ЭЛЕКТРО Н Н Ы Х ДАТЧИКО В
З ам еч ател ьн ы е до сти ж ен и я м и к р о эл ек тр о н и к и последн и х
2 0 ...2 5 л ет п ол учен ы , в су щ н о сти , б л а го д ар я р азв и ти ю к р ем н и ево й
т е х н о л о ги и . В р е з у л ь т а т е это го ст о и м о с т ь к р ем н и ев ы х и н т е гр а л ь ­
ных схем сни ж алась год от года, а уровен ь интегр ац и и (чи сло тр а н ­
зи с то р о в на ед и н и ц у п л о щ ад и к р и ста л л а ) н еу к л о н н о п о вы ш ал ся.
Э ти дости ж ен и я м и кр о эл ек тр о н и к и не м огли н е о казать си л ь н о ­
го во зд ей стви я на те х н о л о ги ю и зго то вл ен и я д атч и к о в . П р и м ен ен и е
м и к р о э л е к тр о н н о й тех н о л о ги и в п р о и зв о д ст в е д а тч и к о в п о зво л и л о
сн и зи ть их стои м ость при сохран ени и или повы ш ении точности. О д­
н ако п р о сто й п ер е н о с м и к р о эл е к тр о н н о й т е х н о л о ги и п р о и зв о д ст в а
ин теграл ьн ы х схем в обл асть д атч и к о в ок азался затр у дн ен н ы м . О т­
ч а сти это св я за н о с н е о б х о д и м о с т ь ю н е к о то р о й м о д и ф и к ац и и б и ­
п олярной или М Д П техн ол оги й , для обесп ечен ия задан н ы х м етр о л о ­
ги ческих х ар ак тери сти к датч и ка (н ап ри м ер, уровн я л еги р о ван и я по­
л у п р о во д н и ко вы х слоев или при м енени я особ о чи сты х п о л у п р о во д ­
никовых материалов). Б олее сущ ественны м и являю тся конструктивны е
требования, которые привели к созданию специальны х технологий, нети­
пичны х либо просто отсутствую щ их в производстве интегральны х схем.
К ним относятся операции трехмерного профилирования кристаллов крем­
ния и бесклеевое присоединение кристалла к подложке.
О собая роль конструкции полупроводниковы х датчиков в технологи­
ческом процессе их изготовления по сравнению с обы чны м и и н те ф ал ь ными схемами связана с разнообразием , а зачастую , и с более ж естким и
условиям и работы датчиков. Н аконец, спектр м атериалов для производ­
ства датчиков весьм а ш ирок. Сейчас прим еняю т пьезоэлектрические и
магнитные пленки, которые не используются в ф ад и ц и о н н о й м икроэлект­
ронике.
В следую щ ем разд еле будут рассм о тр ен ы сп ец и ал ьн ы е вопросы
т е х н о л о ги и п р о и зв о д с т в а д а тч и к о в , к о торы е и м ею т ф у н д ам ен та л ь ­
124
ГЛАВА 5. М И КРОЭ ЛЕКТРОН НАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДА ТЧИКОВ
ное значение: трехм ерное проф илирование кремния и бесклеевы е м ето­
ды соединения элементов конструкции.
Т Р Е Х М Е Р Н О Е П Р О Ф И Л И РО ВА Н И Е К РЕ М Н И Я
С оврем енны е м икроэлектронны е датчики им ею т конструкции, кото­
ры е сущ ественно отличаю тся от конструкции интегральны х схем стан ­
дартной микроэлектроники. Н а рис. 5.6 показана типичная конструкция
тен зорезистивного датчика давления. П од действием разности давлений
Р~
упругий элем ент датчика деф орм ируется, что приводит к изм ене­
нию сопротивлений тензорезисторов.
Корпус датч и ка давл ени я долж ен вы д ерж и вать д авл ен и е и зм ер я­
ем ой среды , которое м ож ет доходить д о нескольких сотен атм осф ер.
Т ен зо р е зи ст о р ы д а тч и к а с ф о р м и р о в а н ы , в си лу о со б ен н о с те й м и к ­
р о эл ек тр о н н ой техн ол оги и , на од н ой сторон е крем н и ево й пластины .
У п руги й эл ем ен т датч и ка представляет, как правило, п ро ф и л и р о ван ­
ную кремниевую пластину. Толщ ина ее тонкой части (м ем браны ) опреде­
л яет диапазон изм еряемы х давлений, а толстая часть кристалла является,
по существу, крем ниевой рам кой и обеспечивает вы полнение условия
жесткого защ ем ления м ем браны по контуру.
Р — измеряемое давление
Д, — опорное давление
6
7
10
Рис. 5.6. Кремниевый датчик давления:
/ — корпус; 2 — э л е к т р и ч е с к и е в ы в о д ы . ^ — к о н т а к т н ы е п р о в о д н и к и . ■/ — к р ем н и е в ы й ч у в ст в и т ел ь н ы й
эл ем ент. 5 — т е н зо р ези ст о р ы , 6 — о б л а с ть со е д и н ен и я к р и ст а л л а и п о д л о ж к и . ’’ — тер м о к о м и еи сн р у ю ш а и
п о д л о ж к а ; я — о б л а с т ь с о е д и н е н и я п о д л о ж к и и к о р п у са . У — п о д м ем б р а н н ая п о л о с т ь . П) — о т в е р с т и е в
п о д л ож к е, / / — защ и тн ы й гель
5 2. Специальные вопросы технологии микроэлектронных датчиков
125
В технологии производства микросхем иногда встречается мелкое
(1 ...5 мкм) профилирование со стороны, где располож ена электронная схе­
ма. Однако при изготовлении датчиков давления глубины профилирования
составляю т около 150...300 мкм, и травить необходимо со стороны, проти­
вополож ной той, на которой находится электронная схема.
Толстая часть кристалла вм есте с термокомпенсирую щ ей подложкой
играю т важную роль в улучш ении м етрологических характеристик дат­
чика. Они компенсирую т терм ом еханические напряжения, возникаю щ ие
из-за разницы коэффициентов линейного расш ирения элем ентов датчика.
Для ум еньш ения этих напряж ений материал термокомпенсирую щ ей
пластины долж ен им еть по возм ож ности тот ж е коэффициент линейного
расш ирения, что и сам кристалл. При этом особое значение им еет способ
их соединения, поскольку это влияет на уровень терм ом еханических на­
пряжений.
П ри и зм ерени и отн о си тел ьн о го давления тер м о к о м п ен си р у ю щ ая
п л ас ти н а д о л ж н а и м еть с к в о зн о е о т в ер ст и е, и, сл е д о в ате л ь н о , его
н еоб ходим о сп ец и ал ьн о со зд авать тем или иным способом .
П еречи слен н ы е о соб ен н ости конструкции м и кроэлектрон н ого
д а тч и к а п о к азы в аю т п р и н ц и п и ал ь н у ю ва ж н о с ть м ето д о в п р о ф и л и ­
р о ван и я и с п о с о б о в с о е д и н е н и я в ед и н ую к о н стр у к ц и ю р азл и ч н ы х
эл ем ентов.
К рем ний оказался м атери алом , весьм а подходящ им для создания
р азн о о б р азн ы х м и кр о стр у кту р с пом ощ ью сп ец и альн ы х м етодов
ф о р м о о б р азо ван и я. П ояви л ось сп ец и ал ьн о е н ап р авл ен и е техн и ки —
к р е м н и е в а я м и к р о м е х а н и к а , р а с с м а т р и в а ю щ а я в е сь к р у г п р о б л ем
со зд ан и я устр о й ств , в к оторы х стал ь за м е н ен а на крем ний. М и к р о ­
м ехан ика и м еет дело главны м образом с крем нием или поли крем н и ­
ем, хотя круг дополнительно привлекаем ы х материалов: оксиды , нит­
риды, стекла, полим ерны е м атериалы и м еталлические пленки — тож е
д о с та то ч н о ш ирок.
Ж И Д К О С Т Н О Е Т РА ВЛ ЕН И Е М О Н О К Р И С Т А Л Л И Ч Е С К О Г О К РЕ М Н И Я
В настоящ ее время основны м методом ф орм ообразования трехм ер­
ных крем ниевы х структур (ЗП -структур) является травление. Этот м етод
дает возм ож ность избирательно удалять кремний с определенны х участ­
ков и придавать пластине или ее отдельным частям необходимую геомет­
рическую форму. Ж ид костное травление для полупроводниковой техни­
*2б_____________ГЛАВА 5. М И КРО Э ЛЕ КТ РО Н Н А Я Т ЕХ НОЛ ОГИЯ ДАТЧИКОВ
ки играет такую же роль, как и обработка м еталлов резанием или ковка и
ш там повка металлов.
С ейчас сущ ествую т м н огочисленны е травители для крем ния, дей­
ствие которы х м ож ет бы ть изотропн ы м (не зависящ им о т к ри сталло­
г р а ф и ч е с к о й о р и ен т ац и и п л о с к о с т е й к р ем н и я ) или а н и з о тр о п н ы м .
В табл. 5.2 приведены характеристи ки трех наиболее ш ироко при м е­
няемых травителей [5.3]:
1) тр ави тел ь ННА: см есь плавиковой (Н Р), азотной (Н К О ), и ук­
сусн ой ки слоты (С Н ,С О О Н );
2) тр ави тел ь ЕО Р: см есь эти ленд и ам и н а, пи рокатех и н а и воды ;
3) водн ы й раствор ед кого калия (К О Н ).
Т р ав и тел ь Н К А — о ч ен ь сл о ж н ы й тр ави тел ь, ск о р о с ти т р а в л е ­
ния и хар актери сти ки которого м о гу т си льно м ен яться в за в и си м о с­
ти о т степени легирования крем ния, соотнош ения ком понентов в р а­
створе и даж е от степени перем еш ивания травителя. Н а рис. 5.7 показаны
варианты углублений в кремнии, возникающ ие, если защ итная маска имеет
круглое отверстие либо отверстие в маске им еет сильно вытянутую пря­
моугольную форму. Случай «а» соответствует интенсивному перем еш и­
ванию раствора, глубина травления г при этом не зависит от кристалло­
графического направления и определяется только скоростью V и временем
травления г.
г = V I.
О тсу тстви е п ер ем еш и ван и я п р и во д и т к и зм ен ен и ю п роф и ля вы ­
тр авл ен н о й структуры , (ри с. 5.7, б), но даж е и в этом случае ф рон т
тр авл ен и я под м аской, как это видно из рисунков, у д о в л етв о р и тел ь­
но ап п р о к си м и р у ется ч а ст ью окруж н ости .
П ри пользовании травителем Н N А возн и каю т труд н ости с со зд а­
нием защ и тн о й м аски . С ам ая у д о б н ая за щ и т н ая м а с к а из д ву о ки си
крем ния 810^ травится с довольно зам етн ой скоростью . П оэтом у при
ср авн и тел ьн о небольш и х глубинах тр авл ен и я ее ещ е м о ж н о и сп о л ь­
зовать, но при больш их глубинах п ред почтительнее защ итн ы е маски
из н итрида крем ния или золота.
О дн ако сам ы м серьезн ы м нед остатк ом тр ави тел я НМА является
слож ная связь между проф илем травлен ия, разм ером окна в м аскиру­
ю щ ем сл о е и те м п е р ату р н ы м и у сл о в и ям и тр авл ен и я. Э то т н ед о ст а­
ток проявляется тем сильнее, чем глубже проводится проф илирование
кремния.
5, 2. Специальные вопросы технологии микроэлектронных датчиков___________ 1 2
510,
б
Рис. 5.7. Профиль травления при действии
изотропного травителя НКА:
а — с п ерем еш и в ан и ем т р а в и т е л я . б — без п ерем еш и в ан и я
М ежду тем глубокое профилирование как раз и представляет наиболь­
ш ий интерес в технологии изготовления м и кроэлектронны х датчиков.
П рогресс в технике создания трехм ерны х структур стал возможен только
п осле того, как начали прим еняться анизотропны е травители.
А ни зотроп н ое тр авл ен и е д ает возм ож ность и збирательно удалять
крем ний вдоль определенны х кристаллограф ических направлений, что
позволяет придавать крем ниевой пластине или отдельны м ее частям р аз­
нообразную геом етрическую форму и целенаправленно управлять этим
процессом.
В табл. 5.3 п риведены д в а наиболее уп отреби тельн ы х ан и зотроп ­
ных трави тел я для крем ния — Е П Р и водны й р аство р ед кого калия.
О бщ ее св о й ств о всех а н и зо тр о п н ы х тр а в и те л ей за к л ю ч ает ся в том ,
что кремний в кристаллограф ических направлениях [110] и [100] тр а­
вится значительно бы стрее, чем в направлении [1111Р азница в ск оростях тр авл ен и я до сти гает 35 р аз для Е П Р т р а в и ­
теля и 400 р аз для водны х растворов КО Н . Зам ечательн ой о собен н о­
ст ью у к а за н н ы х т р а в и т е л е й я в л я е т с я в о зм о ж н о с т ь и с п о л ь зо в а н и я
двуокиси крем ния в качестве маски для процесса травления. Скорость
травления 810^ составляет около 14 А /м ин в водных растворах КО Н , что
прим ерно в 20 раз м еньш е, чем для изотропного травителя ННА.
О ба т и п а т р а в и т е л е й о б н а р у ж и в а ю т за м е тн у ю к о н ц е н т р а ц и о н ­
ную зависимость, и скорость травления падает практически до нуля, как толью
степень легирования кремния бором достигает 4 1 0 '’ см"*.
128
ГЛАВА 5. М И КРОЭ ЛЕКТРОН НАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДАТЧИКОВ
Т абл и ц а
5.3
Типичные травители для трехмерного формообразования
Травитель
Состав,
мл
НР
10
ННОз
30
СНзСООН
+
+Н 2О
Этилендиамин
80
Темпера­
тура, °С
Скорость
травления,
мкм/мин
Отношение
скоростей
травления
(100)/(1И)
0,7...3,0
1:1
Маскирующая
пленка
и скорость
ее травления
8
Ю2,
ЗООА/ гп!п
Пирокате­
хин
750
8
Ю2,
о
2А/ т т
120 г
115
0,75
35:1
81зК4,
О
1А/ т т
Вода
КОН
44 г
Вода
100
100
85
1.4
400:
8
Ю2.
О
14А/ тш
М еханизм анизотропного травления достаточно сложен. Сам процесс
травления можно представить как поэтапное удаление атомны х слоев с
поверхности кристалла. О собенностью анизотропного травления являет­
ся то, что в разных кри стал ло ф аф и ч ески х направлениях скорость удале­
ния атомны х слоев с поверхности неодинакова. Это м ож ет бы ть вызвано
различной плотностью упаковки атомов кристалла и различной энергией
связи атомов с соседними атомами на разны х атомных плоскостях. В крем­
нии плоскость (111) им еет самую высокую плотность атомов на квадрат­
ный сантим етр по сравнению с другим и кристаллограф ическим и плоско­
стями. Это приводит к тому, что «вырвать» атом в процессе травления из
этой плоскости труднее, чем из других плоскостей. С другой стороны,
плоскость (111) наиболее интенсивно окисляется в проц ессе травления, и
образовавш ийся слой
экранирует взаим одействие атомов кремния и
травителя. В результате действия этих двух ф акторов скорость травления
плоскости (111) оказы вается наим еньш ей.
2. Специальные вопросы технологии микроэлектронных датчиков
!29
Другие кристаллограф ические плоскости, например (100) или (ПО ),
не покрываются сплош ной окисной пленкой, и полной экранировки не про­
исходит. В результате скорости травления плоскостей (100) и (110) значи­
тельно превосходят скорость травления плоскости (111).
Р ассм о тр и м п р о ц есс м и к р о п р о ф и л и р о ван и я к р ем н и ево й п ласти ­
ны с п о м о щ ью к ак о го -л и б о ан и зо тр о п н о го тр а в и те л я из п р и в е д е н ­
ных в табл. 5.2. Б удем п ред п олагать, что пластин а и м еет кристалло­
гр аф и ч еску ю о р и ен тац и ю (1 0 0 ) и покры та слоем д в у о ки си крем ния
81 0 ,, которая играет роль защ итной маски. П ри этом в слое двуокиси
кр ем н и я с п ом ощ ью ф о то л и т о гр а ф и и сф о р м и р о ван о п р ям о у го л ьн о е
о тв ер сти е, сторон ы которого о р и ен ти рован ы вдоль к р и стал ло гр аф и ­
ческих н аправлений [110].
А н и зотропн ы е трави тел и растворяю т крем ний в п лоскости (100),
и ф о р м и р у ю тся ям ки п и р ам и д ал ьн о й ф орм ы , стен ки к о торы х о гр а­
ничены кристаллограф ическим и плоскостям и (111), им ею щ ими самую
н и зк у ю ск о р о с ть тр а в л ен и я . О к о н ч ан и е тр а в л ен и я п р о и сх о д и т т о г ­
да, когда плоскости (111) пересекутся меж ду собой так, что образует­
ся К-образный проф иль (рис. 5.8).
8Ю,
Г л у б и н а Г -о б р а зн о й
-(100)
канавки зави си т от ш и­
рины окна в окисле на по­
<100>
вер х н о сти крем ния.
< 1 1 1 > / 70
Т о ч к а ‘‘сам оостаП оскольку плоскости
-н ав л и в ан и я’'
(111) пересекаю т плоско­
травления
сти (1 0 0 ) п од углом а =
= 54“.74, при ширине окна
Рис.5.8. Поперечное сечение Г-канавки
в маске а и глубине трав­
ления к, разм еры ниж него основания к будут равны:
I
= 0-2
К огда к = О, происходит пересечение плоскостей (111) и тр авл е­
ние о стан авл и вается. Это п р о и сх о д и т при глуби н е Г-канавки
Т аки м образом , п роф и ль травл ен и я м ож но м енять о т тр ап ец еи д аль­
н о го д о Г -образн ого.
130
ГЛАВА 5. М И КРОЭЛЕКТРОН НАЯ ТЕХ НОЛОГИЯ
ДАТЧИКОВ
У правление процессом травления идет путем задания скорости и вре­
мени травления. Н а скорость травлен ия влияю т процентны й состав тра­
вителя и тем пература проведения процесса. Н а рис. 5.9 показаны зависи­
м ости скорости травления плоскости (100) крем ния для водного раствора
едкого калия при различны х температурах.
И з э к сп ер и м ен т ал ь н ы х д ан н ы х о ч е в и д н о си л ь н о е вл и ян и е т е м ­
пературы и о тн оси тел ьн о сл аб ое вли яние к он ц ен трац и и К О Н в трав и тел е. О б ы ч н о т р а в л е н и е п р о в о д я т при т е м п е р а т у р а х 8 0 ...9 0 °С ,
при этом зн ачен ия скорости травл ен и я составл яю т 0.8 ...1 .0 м км /м ин.
Н а рис. 5.10 приведены зависим ости скорости травлен и я пленки дву­
о ки си крем ния, зная которы е, м ож но оп р ед ел и ть н еоб ходи м ую то л ­
щ ину за щ и т н о й м аски , о б е сп е ч и в аю щ ей ф о р м и р о в а н и е у гл у б л ен и я
заданны х разм еров [5.5].
Д ля обеспечения необходимой точности проф илирования следует со­
хранять постоянной тем пературу и концентрацию травителя. П ракти чес­
ки травлен ие ведут в терм остате, который поддерж ивает температуру с
погреш ностью не хуже 1 °С. Само устройство для травления должно иметь
мешалку для перемешивания раствора и плотно прилегающ ую крышку, пре­
дохраняющую объем травителя от испарения.
к
г
100 С
80" С
10
20
30
40
50
с,%
Рис.5.9. Зависимости скорости
травления кремния (100) от концентра­
ции травителя и температуры для
водных растворов КОН
Рис. 5.10. Зависимости скорости
травления двуокиси кремния от весовой
концентрации травителя и температуры
для водных растворов КОН
5 2, Специальные вопросы технологии микроэлектронных датчиков___________
При постоянстве тем пературы и концентрации глубину травления
м ож но контролировать по времени травления. Точность такого способа
будет зависеть от точности изм ерения скорости травления. По мере уве­
личен и я глубины проф или ровани я погреш ность определения глубины
возрастает. Для ее ум еньш ения п рактически приходится использовать
контрольную крем ниевую пластину (пластину-спутник), находящ ую ся в
тех ж е условиях травления, что и основная пластина. П ериодическое из­
м ерение глубины травлен ия по пластине-спутнику позволяет более точно
контролировать толщ ину стравленного слоя.
При м ассовом производстве м икроэлектронны х датчиков м етод кон­
троля глубины травления по времени дает больш ую погреш ность. В этом
случае м ожно воспользоваться свойством ани зотропны х травителей, зак­
лю чаю щ им ся в остановке процесса травления на слоях крем ния с боль­
шой концентрацией (N > 7 ■ 10'’ см^) легирую щ ей прим еси бора (метод
стоп-слоя). П ричина резкого ум еньш ения скорости травления кремния на
таких слоях заклю чается в том, что для протекания п роцесса травления
требуется обмен свободны м и электронам и меж ду крем нием и трави те­
лем. В сильнолегированном бором кремнии свободны х электронов очень
мало (полупроводник им еет р-тип проводимости) и процесс травления
из-за этого торм озится.
Н а рис. 5 .1 1 п ок азан а те х н о л о ги ч еск ая сх е м а и зго то вл ен и я то н ­
ких крем ниевы х м ем бран, в которой на одной из сто р о н крем ниевой
пласти н ы м етодом ион ной им плантации или терм и ч еско й ди ф ф узи и
со зд а етс я сл ой с и л ь н о л е г и р о в а н н о г о р -к р е м н и я , то л щ и н а ко то р о го
о п р ед ел яет в дал ьн ей ш ем толщ ину к рем н иевы х м ем бран.
П осле нанесения слоя двуокиси крем ния на обе стороны п ласти­
ны вы полн яю т оп ерац и ю ф отол и тограф и и и вскры ваю т окно в окисной п ленке со с т о р о н ы , п р о ти в о п о л о ж н о й р -сл о ю . Затем п р о в о д ят
анизотропное травление, которое автом ати чески останавливается,
как то л ь к о д о с т и г а е т с я гл у б и н а с и л ь н о л е г и р о в а н н о г о р -сл о я . Ш и ­
р и н а м ем б р ан ы о к а зы в а е тс я равн ой
~л]2к, где Ь — р азм ер
окна в окисной м аске, а толщ и на оставш егося крем ния определяется
технологическим и условиям и создания сильнолегированного слоя, кото­
рые обеспечиваю т погреш ность около 1 мкм.
М етод п о зв о л я е т х о р о ш о во с п р о и зв о д и ть р азм е р ы . Н ед о статк а­
ми м етода са м о о с та н ав л и в а ю щ его ся тр авл ен и я являю тся:
132
ГЛАВА 5. М И КРО Э ЛЕ КТ РО Н Н А Я Т ЕХ НОЛ ОГИЯ ДАТЧИКОВ
ш •<— 5Ю 2
— А, =7 X Ю'‘к Г
-V,
’т ®
810,
— Нане­
сенный 810,
54,6"
Ез=ГГл/2/,;
Рис.5 II. Технологическая схема изготовления
тонких кремниевых мембран методом
самоостанавливаю щ егося травления
1. С ильное легирование р-слоя приводит к деф орм ации крем ния из-за
того, что разм ер атома бора м еньш е, чем разм ер атома кремния. В итоге
плоская ф орм а м ем браны м ож ет бы ть искажена.
2. П ри заданной толщ ине стоп слоя получаю тся м ем браны только од­
ной толщ ины . И зм енение толщ ины требует подготовки новых пластин.
3. Н а сильнолегированном р -сл ое невозмож но ф орм ировать элем ен ­
ты электрической схемы, обладаю щ ие хорош ей изоляцией. П оэтом у при­
ходится эпитаксиально вы ращ ивать на слое р-крем ния слой слаболеги ро­
ванного л-крем ния, а уж е в нем ф орм ировать все элем енты электрической
схемы датчика, в том числе и тензорезисторы р-типа. Это значительно удо­
рож ает технологию изготовления приборов.
5 2. Специальные вопросы технологии микроэлектронных датчиков
133
Более перспективной для целей создания проф илированны х кремни­
евых структур представляется технология электрохим ической остановки
травления. В этой технологии применяю т подложки р-кремния или л-кремния со степенями легирования, типичными для микроэлектроники. На этих
подложках выращ иваю т эпитаксиальный слой слаболегированного л-кремния ж елаемой толщ ины , в котором ф орм ируется электрическая схема. На
рис. 5.12 показано эксперим ентальное устройство для электрохим ичес­
кого травления кремния.
Рис. 5.12. Устройство для электрохимического травления кремния:
/ — к р ем н и е вая п л а ст и н а с э п и т ак си ал ьн ы м сл о е м . 2 — м а гн и тн ая м еш алка
Т р ав и тел ь п ер ем еш и ваю т с пом ощ ью м агни тн ой м еш алки , а во­
дяная рубаш ка п озво л яет п оддерж и вать постоянную тем п ературу
тр ави теля. В р астворе н аходятся пласти н а р -крем н и я с эп и такси ал ь­
ным слоем «-типа, играю щ ая роль анода, и платиновая ф о л ьга в ка­
ч е ст в е к атод а. П ри в к л ю ч е н и и м еж д у ан о д о м и к ато д о м р аз н о сти
потен ци алов больш е 0.6 В п рои сход и т п роцесс травлен и я р-п одлож ки. В м ом ен т, когда п одл ож ка р -ти п а стравл и вается и травлен и е д о ­
ходит до л-эпитаксиального слоя, изм еняется ток, текущ ий между анодом
н катодом, после чего травление прекращ ается. Д остоинство этого м ето­
да заклю чается в возмож ности применять для изготовления датчиков крем­
134
ГЛАВА 5. М И КРО Э ЛЕ КТ РО Н Н А Я ТЕХ НОЛОГИЯ ДАТЧИКОВ
ниевые пластины со стандартны м и характеристикам и, что удеш евляет
стоим ость производства при одноврем енном улучш ении воспроизводи­
м ости толщ ины упругих элементов.
5.3.
ТЕ Х Н О Л О ГИ Я С О ЕД И Н ЕН И Я ЭЛЕ М ЕН ТО В
К О Н СТРУ К Ц И И ДАТЧИКА
Технология сборки крем ниевы х датчиков зам етно влияет на их харак­
теристики, преж де всего из-за терм ом еханических напряжений, неизбеж ­
но возникаю щ их при соединении элем ентов конструкции датчиков, обла­
даю щ и х разн ы м и тем п ер ату р н ы м и к о эф ф и ц и ен там и ли н ей н о го
расш ирения. В датчиках давления терм ом ехан ически е напряж ения игра­
ю т тем больш ую роль, чем м еньш е толщ ина упругих элементов.
Н а рис. 5.6 схематически представлена конструкция общ еп ром ы ш ­
лен н ого датчика относительного давления, а на рис. 5.13 — чувстви­
тельн ы й элем ент, п рим еняю щ ийся в м едицинской техни ке в катетерны х д а тч и к а х д л я в н у т р и п о л о с т н ы х и зм ер е н и й д а в л е н и я . В о бо и х
случаях есть несколько границ р азд ел а меж ду элем ен там и ко н стр у к­
ции, вблизи которых при сборке возникаю т терм ом еханические напряж е­
ния. П оэтому вы бор рационального м етода соединения и тщ ательная от­
работка технологии сборки им ею т принципиальное значение для создания
практических вариантов датчиков.
Рис. 5.13. Конструкция чувствительного элемента катетерного датчика давления:
/ — т ен зо р ези ст о р ы ; 2 — м ем б ран а у п р угого э л ем е н т а. 3 — к о л ь ц о ж е с г к о с ш у п р угого элемеьгга. 4 — канал
д л я п одачи о п о р н о го д авл ен и я. 5 — к рем н и евая п о д л о ж к а, 6 — п о л о с к о с ть соел н н ен и я тем зо п р е о б р азо вател я
и п о д л о ж к и , 7 — к о н т а к т н ы е п лощ ад ки
5.3. Технология соединения элементов конструкции датчика____________________4 5
Для соединения элем ентов конструкции датчика в настоящ ее время
использую тся различны е способы :
1) клеевое соединение;
2 ) пайка с пом ощ ью легк оп лавк и х стекол;
3) пайка с прим енением эвтектического сплава золото-крем ний;
4) электростатическое соединение;
5) прям ое соединение крем ний-крем ний.
К ЛЕЕВО Е С О ЕД И Н Е Н И Е
О сновное достоинство сборки с помощ ью клеев заклю чается в низ­
кой тем пературе проведения проц есса (ниже 130 °С) и сравнительной
простоте операций. О бы чно для склеивания прим еняю т эпоксидны е см о­
лы , в которые добавляю т различны е наполнители для получения необхо­
дим ого тем пературного коэф ф ициента линейного расш ирения. В 60-х го­
дах в связи с ш ироким распространением приклеиваемых тензорезисторов
— как м еталлических, так и полупроводниковы х — бы ли проведены об­
ш ирные исследования свойств клеев и их влияния на характеристики тензорезистивны х м остов в датчиках давления и силы. И сследования показа­
ли, что приклеивание неблагоприятно воздействует на характеристики
датчиков, приводя к гистерезису и возрастанию тем пературной погреш ­
ности результатов измерений. В результате появились крем ниевы е датчи ­
ки, у которых соединение происходит за счет м еж атом ного взаимодей­
ствия соединяем ы х частей.
В настоящ ее время клеевое соединение прим еняется только в тех м е­
стах, где оно заведом о не см ож ет зам етно повлиять на характеристики
прибора. В конструкции датчика давления, приведенной на рис. 5.6, клей
м ож но прим енять для присоединения подлож ки к корпусу.
П.ЛЙКА
с
п о м о щ ь ю ЛЕГК О П Л А В К И Х СТЕКОЛ
в электронной технике стеклянная пайка ш ироко прим еняется для
соеди нен ия м еталлов, керам ики и крем ния. С лой стекла на одн ой из
со ед и н я ем ы х п о в е р х н о сте й м ож н о со зд а в ат ь вакуум н ы м н ап ы л ен и ­
ем или нанесением суспензии стеклянного припоя. П ри производстве дат­
чиков использую тся низкотем пературны е процессы пайки, с тем перату­
рами ниже 450 °С. О сновное требован ие в проведении этих процессов
связано с м иним изацией внутренних м еханических напряж ений в соеди­
няемых структурах. Это достигается, с одной стороны , ум еньш ением тол­
46
ГЛАВА 5. М И КРО Э ЛЕ КТ РО Н Н А Я Т ЕХ НОЛ ОГИЯ ДАТЧИКОВ
щ ины слоя, а с другой — прим енением стекол с тем пературны м коэффи­
циентом линейного расш ирения, м ало отличаю щ им ся от соответствую ­
щих коэффициентов соединяем ы х материалов. О днако практически стек­
л янны е слои с толщ иной менее 7... 10 мкм прим енять нецелесообразно,
поскольку стекло перестает равном ерно покры вать соедин яем ы е поверх­
ности. В технологии сборки датчиков давления фирм ы «М оторола» со ­
единение кристалла тензопреобразователя и крем ниевой подлож ки осу­
щ ествляется через слой легкоплавкого стекла. Рациональный вы бор сорта
стекла и тщ ательная обработка технологии соединения позволяю т созда­
вать датчики с хорош ими м етрологическим и характеристикам и.
ПАЙКА С П РИ М ЕН ЕН И ЕМ СПЛАВА ЗО Л О ТО -К РЕМ Н И Й
Разновидностью м етода пайки, наш едш ей ш ирокое прим енение и в
м икроэлектронике и в производстве крем ниевы х датчиков, является пай­
ка с использованием эвтектического соединения золото-крем ний. Эти два
м атериала образую т эвтектический сплав со сравнительно низкой тем п е­
ратурой плавления (~ 370 °С), что чрезвы чайно удобно для сборки полу­
проводниковы х конструкций.
П р ак ти ч еск и для со зд ан и я п р о ч н о го э в тек ти ч е ск о го со ед и н ен и я
необходим о на посадочное м есто нанести, наприм ер напы лением , слой
зо л о та то л щ и н о й 5 ...7 м км . О б ы ч н о те м п е р а т у р а п ай ки со с та в л я е т
4 0 0 ...4 5 0 °С, и для улучш ения к ач ества соеди нен ия к кристаллу при­
к л а д ы в а ю т д а в л е н и е о к о л о 1 М П а. П р и п а й к е к р и с т а л л о в б о л ь ­
ш их р азм ер ов в зазор м еж ду кри стал лом и п одлож кой д о п о л н и тел ь ­
но вводится ф ольга из зо л о та тол щ и н ой 20 мкм.
П ри п р ав и л ьн о й о т р а б о т к е т е х н о л о ги и со е д и н е н и я вн у тр ен н и е
м ех ан и ч еск и е н ап ряж ени я в этом сп о с о б е со е д и н е н и я о к азы в аю тся
м еньш е, чем в преды дущ их двух м етодах.
М ЕТО ДЫ Б Е С К Л Е Е В О ГО С О ЕД И Н ЕН И Я
В последни е 10... 15 л ет получил ш ирокое р асп ростр ан ен и е метод
пр ям о го со еди н ен и я р азн о р о д н ы х м атер и ал о в, в котором не п р и м е­
няю тся клеи или ины е со е д и н и т ел ьн ы е м атер и ал ы ти п а эв т ек ти ч е с­
ких с п л а в о в , как это о п и с ы в а л о с ь в п р е д ы д у щ и х ч а с т я х р а зд е л а .
Ф о р м ал ь н о п рям ое со ед и н ен и е п р о и сх о д и т при повы ш ен н о й те м п е ­
ратуре меж ду плоским и полированн ы м и поверхностям и двух пластин
крем ния, приведенны х в тесн ы й контакт друг с другом. При этом пласти­
5.3 Технология соединения элементов конструкции датчика___________________ 4 7
ны м огут подвергаться либо не подвергаться внеш нем у воздействию , на­
прим ер электростатическом у притяж ению , а поверхности соединяем ы х
пластин м огут или бы ть чисты м и, или ж е содерж ать тонкий слой специ­
ального вещ ества, которое увеличивает силу предварительного контакт­
ного взаимодействия. В зависим ости от особенностей п роцесса соедине­
ния различаю т несколько вариантов технологии соединения, из которых
далее будут рассм отрены два — метод электростатического соединения и
метод прямого сращ ивания.
Главная п ри чи н а, за ставл яю щ ая две пласти н ы со еди н яться д р у г
с другом при прям ом контакте, закл ю ч ается в р азн и ц е эн ерги й ат о ­
мов на поверхности отдельны х соединяем ы х структур и энергий этих
ж е атом ов п осле объеди нен ия пластин в единую структуру. Эта р аз­
ница в энергиях является м ерой связи соеди няем ы х пластин. Д ля у с­
п еш н ой р еа л и зац и и э то го п р о ц ес са н ео б х о д и м о сб л и ж е н и е ато м о в
к о н так ти рую щ и х п о вер х н о стей на м алы е р ас сто ян и я, п ри чем число
вза и м о д ей с тв у ю щ и х ат о м о в д о л ж н о б ы ть в о зм о ж н о больш и м . В ы ­
п олнить это условие прощ е всего м ож но для плоских полированны х
поверхностей. И м енно таки е пластины , п олированны е до 13-14 клас­
са чистоты , прим еняю тся для соединения. К счастью , точно такой же
класс чистоты тр е б у е тся при п р о и зво д стве стан д ар тн ы х и н те гр а л ь ­
ных схем и поэтом у м ож но использовать уж е им ею щ иеся технологии
о б р аботки п оверхн остей полуп ровод н и ковы х пластин. Е дин ствен н ое
отли чи е заклю ч ается в том , что в п рои зводстве датч и ков ин огда н е­
о б х о д и м а д в у ст о р о н н я я п о л и р о вк а п ластин: о д н а сто р о н а для ф о р ­
м ирования эл ектри ческих цепей, а другая для присоединения, напри­
мер, к корпусу.
С О Е Д И Н Е Н И Е П Л АС ТИ Н В ЭЛ ЕК ТРО С Т А Т И Ч Е С К О М ПОЛЕ
В 1969 году У оллис и П ом еран ц впервы е подробно описали технику
соеди нен ия пластин, в п р о ц ессе которой прим енялись эл ек тр о стати чес­
кое поле и н изкотем пературны й отж и г (300...500 °С) [5.6]. О ни назвали
свой способ соеди нен ия «эл ектростатически м ». В п ослед стви и этот же
м етод стали часто н азы вать «анодны м соедин ени ем » или «анодной по­
садкой».
П редложенны й м етод успеш но прим енялся для соединения разли ч­
ных комбинаций стекол и м еталлов, включая и такие полупроводники, как
кремний, германий и арсенид галлия. Уоллис и Померанц сообщили также
138
ГЛАВА 5. М И КРОЭ ЛЕ КТ РОН НАЯ ТЕХ НОЛОГИЯ ДА ТЧИКОВ
об успешном соединении стекла и полупроводника, на поверхности которых
имеется окисный слой.
М еталлы с больш ими коэф ф ициентам и линейного расш ирения, та­
кие как алю м иний, никель, хром, ж елезо, м огут бы ть соединены со стек­
лом только в виде тонких пленок. Это оказалось вполне прием лем о для
практических целей, поскольку все м еталлы в м икроэлектронной техно­
логии использую тся как раз в такой форме.
Рис. 5.14 показы вает эк сперим ен тальное устрой ство для соеди н е­
ния стекла и крем ния эл ек тр о стати ч еск и м м етодом .
С теклянная и крем ­
ниевая пластины , нахо­
дящ и еся в тесн о м кон ­
т а к т е , п о м е щ а ю т с я на
н агреватель, которы й
обеспечивает нагрев до
тем пературы соед и н е­
ния 3 0 0 ...5 0 0 °С . П ри
этих тем п ер ату р ах сте­
кло о б л а д а ет за м е тн о й
ионной п ровод и м ос­
Ргзс. 5.14. Схематическое изображение приспособ­
тью , так что п р и л о ж е­
ления для соединения в электростатическом поле:
ние внеш н его эл ек тр и ­
/ — к рем н и евая п ласти н а, 2 — стекл о, 5 — ан од . 4
н агр ев ат ел ь
ческого поля с разностью
потенциалов до 1000 В м еж ду стеклом и крем нием приводит в дви ж е­
ние полож и тельны е ионы Н а ’ в стекле. П ри прави льной полярности
вклю чения (минус — на стекле) эти ионы уходят от поверхности раз­
дела стекло-крем ний в глубь стекла, а остаю щ иеся неподви ж н ы е о т­
р и ц ат ел ь н о за р я ж е н н ы е ионы п р и в о д я т к в о зн и к н о в е н и ю э л е к т р о ­
статического поля в воздуш ном зазоре между стеклом и кремнием. Этот
зазор, разм ер которого около 1 мкм, м ож но наблю дать по интерф еренци­
онны м кольцам. П роисхож дение его связано с наличием м икрон еровн ос­
тей на ф а н и ц е раздела соединяем ы х пластин.
Э л е к тр о с та ти ч е с к о е в за и м о д е й с т в и е п о л о ж и т ел ьн о го за р я д а на
крем ниевой пластине и отрицательного на стекле ум ен ьш ает во зд у ш ­
ный зазор и сглаж ивает м икронеровности. В озникаю щ ий тесны й кон­
та к т о бесп еч и в ает устан овл ен и е м еж атом н ы х связей, объ еди н яю щ и х
ато м ы с т ек л а и п ол уп рово д н и ка. П р о ц есс со ед и н ен и я м о ж н о к о н т­
р о л и р о в а ть по току, п р о те к а ю щ ем у в цепи. В п е р в о н ач ал ьн ы й м о ­
5.3. Технология соединения элементов конструкции датчика
49
мент, когда только начинается движение ионов N3 и ф орм ирование обла­
стей пространственного заряда, ток им еет м аксим альное значение, а за­
тем постепенно ум еньш ается.
К огда ф орм и рован и е области п ространственн ого зар яда завер ш а­
ется, протекаю щ ий ток достигает м инимум а и процесс соединения за­
канчивается. В зависим ости от тем пературы и прилож енной разности
потенциалов процесс соединения длится от единиц до десятков минут.
С илы эл ек тростати ческ ого взаи м одействия игр аю т сущ ественную
роль в о б есп еч ен и и п р о ч н о го соеди н ен и я и н ач ала эл ек тр о х и м и ч ес­
ких реакций м еж д у стеклом и крем нием . Е сли на п оверхн ость крем ­
ния или стек л а нанести тонкую и узкую полоску м еталла, наприм ер
алю миния, электростатическое взаимодействие обеспечит прочное гер­
метическое соединение между стеклом и кремнием даж е в этом случае.
В с о в р е м е н н ы х к о н с тр у к ц и я х д а тч и к о в м ех ан и ч ес к и х ве л и ч и н
стек л о ш и роко п р и м ен яется в кач естве п одл ож ки , что обу сл о вл ен о
х о р о ш и м и п р о ч н о с тн ы м и х а р а к т е р и с т и к а м и со е д и н е н и я к р ем н и й стек л о , н ев ы сок ой ст о и м о с ть ю стек л а и в о зм о ж н о с ть ю у п р авл ен и я
его свой ствам и путем изм енения состава. П ринципиально важ но при
вы боре сорта стекла, чтобы его тем п ературн ы й ко эф ф и ц и ен т л и н ей ­
н о го р а с ш и р е н и я как м о ж н о л у ч ш е с о о т в е т с т в о в а л а н а л о ги ч н о м у
ко эф ф иц иенту к рем ния. П ри вы полн ени и это го у слови я внутрен н и е
тер м о м ехан и ческ и е н апряж ения и соответствую щ и е им деф орм ации,
вы зван н ы е р азл и ч и ем у к аза н н ы х к о эф ф и ц и ен то в, б у д у т м ен ьш е. В
н астоящ ее врем я в к ач естве наиболее п ри ем лем ого сорта стекла для
п одлож ек ш ироко п рим ен яется стекло м арки Р1гех-7740.
Для ум еньш ения терм ом еханических напряж ений в системе крем ­
ний-подлож ка в последнее десятилетие стали все ш ире прим енять со ­
е д и н е н и е к р е м н и й -к р е м н и й . Ч то б ы р е а л и зо в а т ь т а к о е со е д и н е н и е
электростатическим методом, на каж дую кремниевую пластину необхо­
дим о нанести слой боросиликатного стекла толщ иной не м енее 4 мкм,
который при контакте действую т подобно слою стекла в описанной выш е
схеме соединения. П оскольку слой стекла после соединения им еет тол­
щ ину значительно м еньш ую , чем толщ ина соединяем ы х крем ниевы х пла­
стин, терм ом еханические напряж ения оказываю тся много меньш ими, чем
при соединении крем ния со стеклянной подложкой.
С оверш енно иной путь для соединения крем ниевы х пластин предло­
жен в работе [5.7]. В м есто нанесения слоев стекла на первом этапе про­
водилось окисление соединяем ы х поверхностей крем ниевы х пластин в
4 0 ____________ГЛАВА X М И КРОЭ ЛЕ КТ РОН НАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДАТЧИКОВ
атм осф ере кислорода, содерж ащ его пары воды. Н а втором этапе к плас­
тинам
приклады валась
разность
потенциалов
около
20 В и пластины нагревали сь в ин ертной атм осф ере до тем п ературы
1100... 1200 °С. Э лектростатическое поле концентрируется в основном в
тонком слое двуокиси кремния с общ ей толщ иной около двух м икром ет­
ров и способствует тесном у контакту пластин между собой.
В этом сп особе соеди н ен и я в эл ек тростати ческ ом поле п р о и сх о ­
д и т м и гр ац и я и онов в о д о р о д а Н ’ и ги д р о к си л ь н ы х гру п п ОН , что
п ер ер асп р ед ел яет эл ек три ч ески е заряд ы , у вел и чи вает си лу п р и тяж е­
ния пластин между собой и облегчает дальнейш ее установление атом ­
ных связей м еж ду со еди н яем ы м и структурам и.
В аж ны м досто и н ство м о п и сан н о го сп о с о б а явл яется о тсу тстви е
в т е х н о л о ги ч е с к о м п р о ц е с с е с о е д и н е н и я в ы с о к о п о д в и ж н ы х и он ов
н атри я, к о то р ы е п р и во д ят к н ес та б и л ь н о с ти раб оты э л ек тр и ч еск и х
цепей датчиков. Н ед остаток сп особа связан с вы сокой тем п ературой
п р о в е д е н и я п р о ц е с с а и з -з а в о з м о ж н о с т и р а з р у ш е н и я п л е н о ч н ы х
проводников, выполняем ых обы чно из алю миния. Во многих случаях,
особенно в емкостных датчиках, это препятствие удается обойти разум­
ной организацией технологического процесса изготовления прибора.
П Р Я М О Е С О Е Д И Н Е Н И Е К Р Е М Н И Й -К Р Е М Н И Й
Ш и р о к о е п р и м ен ен и е в п р о и зв о д с т в е п о л у п р о в о д н и к о в ы х д а т ­
чи ков эл ек тр о стати ч еск о го м етод а соеди нен ия привело и ссл ед о вате­
л ей и р аз р аб о тч и к о в к п опы ткам п р ям о го со ед и н ен и я к р ем н и евы х
пластин без какого-либо пром еж уточного слоя и без прилож ения элек­
т р и ч е с к о г о поля. П ервое у п о м и н ан и е о таком сп о с о б е с о е д и н е н и я
относится к 1966 году и описано в патенте СШ А № 3288656 Т.Н акамуры.
П одробны е исследования м еханизм а соединения относятся к более по­
зднем у периоду, начиная с 1986 года [5.8].
В те х н и к е п рям ого ср а щ и в а н и я осо б у ю р о л ь и гр аю т ч и с то т а и
п л о с к о п а р а л л е л ь н о с т ь с о е д и н я е м ы х п о в е р х н о с т е й , п о с к о л ь к у это
о б есп еч и в ает плотны й контакт. С вязь м еж ду пластинам и у стан авл и ­
вается б л аго д ар я хи м и ческ и м р еак ц и ям на п овер х н о сти с участи ем
атом ов крем ния и м олекул воды.
П р о ц есс п р ям о го ср а щ и в а н и я к р ем н и ев ы х пласти н п р о х о д и т в
несколько этапов. Н а первом этап е п оверхн ость к рем н и евой п ласти­
ны с т а н о в и т с я ги д р о ф и л ь н о й , т. е. а к ти в н о в за и м о д е й с т в у ю щ е й с
5.4, Применение микроэлектронных технологий для создания датчиков________ 4 1
молекулами воды. Гидрофильного состояния поверхности м ожно достиг­
нуть обработкой в растворах, содерж ащ их воду, перекись водорода Н ,0 ,
и соляную кислоту НС1 в пропорции 6 : 1 ; 1 или в травителе, содерж ащ ем
перекись водорода и серную кислоту, или в горячей азотной кислоте и т.д.
Реальная поверхность кремния всегда содерж ит тонкий слой двуоки­
си кремния толщ иной около 30 А, который образуется при комнатной тем ­
пературе естественным путем от взаимодействия с кислородом воздуха.
На гидрофильной поверхности капелька воды хорошо растекается по
пластине и поверхностные атомы кремния, входящие в состав естественного
окисла 810,, активно взаимодействуют с молекулами воды.
П ри приведении в контакт двух гидроф ильны х поверхностей при
ком натной тем п ературе возн и к аю т связи м еж ду си лан ольн ы м и груп­
пам и (81 - О Н ) п ро ти в о п о л о ж н ы х п оверхн остей . Эти связи о тн о си ­
тел ьн о слабы е, и для их у п р очн ен и я п ровод ят те м п ер ату р н у ю о б р а­
б о т к у (о т ж и г ). Д и а п а з о н т е м п е р а т у р , и с п о л ь з у е м ы х п ри о т ж и ге ,
достаточно ш ирок — от 300 до 1000 °С.
В п роцессе отж и га происходит зам ен а относи тельн о слабы х св я­
зей м еж ду си л ан о л ьн ы м и груп п ам и 81-ОН — 81-ОН на более п р о ч ­
ные 81-0-81. П рочн ость соединения тем вы ш е, чем выш е тем пература
отж и га. К о н к р ет н о е зн а ч е н и е п осл едн ей вы б и р ается в за ви си м о сти
от требований к прочности соединения, которое, в свою очередь, оп­
ределяется условиям и работы датчика. В настоящ ее время м етод пря­
м ого сращ и вани я п олучает все больш ее расп ростран ени е, что вы зва­
но практически полным отсутствием терм ом ехан и чески х напряж ений
у соеди няем ы х пластин.
5.4. П РИ М Е Н Е Н И Е М И К Р О Э Л Е К Т Р О Н Н Ы Х Т Е Х Н О Л О Г И Й
ДЛ Я С О ЗД А Н И Я Д А Т Ч И К О В
КРЕМ НИЕВЫ Е ДАТЧ И К И ДАВЛ ЕН И Я
С амое первое и ком м ерчески наиболее успеш ное прим енение м ик­
р о эл ек тр о н н ы е те х н о л о ги и , о п и сан н ы е в пред ы д у щ и х р азделах , н а­
ш ли в п р о и зв о д ст в е к р ем н и евы х д а тч и к о в д а вл е н и я на те н зо р ези с ти вн ом эф ф ек те. В п р о стей ш ем сл у ч ае эл ек тр и ч ес к а я сх ем а та к о го
д а т ч и к а п р е д с т а в л я е т со б о й пол н ы й м о ст У и т с то н а , о б р а зо в а н н ы й
четы рьм я тен зо р ези сто р ам и , р асп ол ож ен н ы м и сп ец и альн ы м образом
на крем ниевой пластине (рис. 5.15).
142
ГЛАВА 5. М И КРОЭ ЛЕКТРОН НАЯ ТЕХ НОЛОГИЯ ДАТЧИКОВ
К ремниевая пластина играет роль упругого элем ента, деф орм ация ко­
торого под воздействием изм еряем ого давления приводит к изм енению
сопротивления тензорезистора
АН
= 5 ,6 / + 5 , е , ,
Яа
где Я^ — со п роти вл ен и е н ед еф о р м и р о ван н о го те н зо р ези сто р а;
АЯ — и зм енение сопротивления тен зо р ези сто р а под дей ствием
деф орм ации упругого элем ента;
5,, 5^ — продольная и п оп еречн ая тен зочувстви тел ьн о сти ;
е,,
— продольны е и п оперечн ы е деф орм ац и и тен зорези стора.
Т ензочувстви тльность зави си т от степени легировани я и кристал­
л о гр а ф и ч е с к о й ори ен тац и и т е н зо р ези с то р а .
С ам те н зо р е зи с т о р ф о р м и ­
руется в к р ем н и ево й п л асти н е
м ето д ам и те р м и ч ес к о й д и ф ф у ­
зи и или и о н н о й и м п л а н т а ц и и
примеси. В подавляю щ ем бо л ь­
ш инстве соврем ен н ы х датчиков
давления тензорезисторы созда­
ю тся л е г и р о в а н и е м б о р о м и с­
ходной крем ниевой пластины птипа. П о это м у т е н зо р ези с то р ы
и м е ю т р -т и п п р о в о д и м о с т и и
изо л и р о ван ы от о стал ьн о й
Рис. 5.15. Схема включения тензорезис­
к р е м н и е в о й п л асти н ы с п о м о ­
торов датчика давления:
/ — т е н з о р е з и с т о р ы , 2 — к р ай у п р у г о г о э л е м е н т а ,
щью р-п перехода. П оверхность
3 — м еж контактны е соедин ен ия; 4 — контактны е
площ адки
исходной крем ниевой пластины
с о в п а д а е т с к р и с т а л л о г р а ф и ч е с к о й п л о ск о ст ь ю (1 0 0 ). П л асти н ы с
тако й о р и ен тац и е й ш и роко п р и м ен яю т как в о б ы ч н о й м и к р о э л е к т ­
рон и ке для п роизводства и нтегральны х схем, так и для прои зводства
датчиков давления, что удеш евляет их стоимость. Т ензорезисторы рас­
пол агаю тся в тех м естах к р ем н и ево й пл асти н ы , где их д еф о р м ац и я
под дей стви ем и зм ер яем о го д авл ени я д о сти гает м ак си м ал ьн о го зн а ­
чения. П о ск ол ьк у тен зо р ези с то р с о с та в л я ет часть крем н и ево й п л ас­
тин ы , ее д еф орм ац и и пол н остью п ередаю тся на те н зо р ези сто р , а не
теряю тся частично в клеевом слое, как это им еет м есто в случае при­
к л еи ваем ы х тен зо р ези с то р о в .
5.4- Применение микроэлектронных технологий для создания датчиков_________4 3
Для повыш ения чувствительности датчика к изм еряемом у давлению
тензорезистора придаю т определенную кристаллограф ическую ори ен та­
цию. Т ензорезисторы р-ти п а на пластинах с ориентацией плоскости (100)
располагаю т вдоль кристаллограф ических направлений [110]. В м икро­
электронны х датчиках крем ниевая пластина играет двоякую роль: во-пер­
вых, в ней ф орм ируется электрическая схема датчика, а во-вторых, плас­
ти н а вы п ол н яет ф ункцию упругого эл ем ен та, в котором и зм ер яем о е
м еханическое воздействие превращ ается в деф орм ацию . В датчиках дав­
ления 70-х годов упругие элем енты имели круглую, плоскую ф орм у и
п ри клеи вали сь по контуру корпуса датчика. К клеевом у соеди н ен и ю
предъявлялись ж есткие требования: оно долж но бы ть герметичным, обес­
печивать ж есткое закреп лени е (защ ем ление) краев упругого элем ента,
сохранять раб отосп особ н ость в широком интервале тем ператур и не вн о­
сить терм ом еханических напряжений. Этим противоречивы м требован и ­
ям удовлетворить оказалось очень слож но, и с начала 80-х годов в датчи­
ках давл ен и я стал и ш ироко при м ен яться п роф и л и р о ван н ы е упругие
элем енты , которые создавались с помощ ью техники ж идкостного анизот­
ропного травления.
Д ля это го со сто р о н ы к р ем н и ево й п л асти н ы , п р о ти в о п о л о ж н о й
поверхн ости, на к оторой находятся тен зорези сто р ы , прои зводят ан и ­
зо троп ное травление, в ходе которого крем ний п ослойно удаляется и
ф о р м и р у етс я у п р у ги й э л е м е н т с за д а н н о й т о л щ и н о й и р а зм е р а м и .
Н а рис. 5.16 показаны ти пичны е ф орм ы крем ниевы х упругих элем ен ­
то в — к вад ратн ая и прям оугол ьн ая.
В упругом элем ен те им ею тся тонкая часть (м ем брана) 2 и кольцо
ж есткости 5 тол щ и н ой , равной тол щ и н е исходной крем н и евой п лас­
тины . Б лагодаря б о л ьш о м у разли чию по тол щ и н е м еж ду м ем бран ой
и кольцом ж есткости (обы чно не менее 10 раз), под действием и зм еряе­
мого давления наибольш ие деф орм ации возникаю т в м ем бране у ее кра­
ев. Кольцо ж есткости обеспечивает фиксированное положение краев м ем ­
браны и служит для присоединения кристалла к остальны м частям датчика.
Благодаря том у что области разм ещ ения тензорези сторов I и плоскость
присоединения упругого элем ента 4 пространственно разделены , проис­
ходит развязка по м еханическим напряж ениям, возникаю щ им при сборке
датчика.
О п ер ац и я и зго то в л е н и я у п р у го го эл е м е н т а ан и зо тр о п н ы м т р а в ­
лен и ем не ти п и ч н а для м и кроэл ектрон и ки , п рои зво д ящ ей и н тегр ал ь­
144
ГЛАВА 5. М И КРО Э ЛЕ КТ РО Н Н А Я Т ЕХ НОЛ ОГИЯ ДАТЧИКОВ
ные схемы. В соврем енны х датчиках размеры м ем браны леж ат в диапазо­
не а = 2 ,5 ...0,5 мм, а толщ ина Н = 20...100 мкм.
П оскольку стандартная толщ ина исходных крем ниевы х пластин со­
ставляет около 500 мкм, при создании проф илированного упругого эле­
м ента требуется удалить слой кремния толщ иной 400...480 мкм, что тре­
бует длительного времени травления. П оэтом у операция ф орм ирования
упругого элем ента является очень ответственной и вы полняется на зак­
лю чительном этапе технологического процесса изгот овления кристалла
датчика давления.
а
б
Рис. 5.16 Основные формы кремниевых упругих элементов,
получаемых анизотропным травлением;
а — к вад ратн ая; б ~
п рям оугол ьн ая; I — т ен зо р ез и ст о р ы ; 2 — м е м б р ан а. 3 — к о л ь ц о ж ес т к о с ти , 4 — п лоскость
п р и с о е д и н е н и я у п р у го го э л е м е н т а к о с т а л ь н ы м ч а стям д а т ч и к а
Т ехн ол оги ческ и й м ар ш р у т и зго то вл ен и я к р и стал л а д а тч и к а дав­
лен и я вк л ю чает н ескол ько этап ов.
П е р в ы й эт а п . Н а крем ниевой пластине, полированной с двух сто­
рон, путем т ерм ической ди ф ф у зи и со зд а ю т слои д в у о ки си крем ния,
вы п о л н яю щ и е на п оследую щ и х этап ах и зготовл ен и я р о л ь защ итн ой
м аски .
В т о р о й э т а п . Н а стороне, где предполагается создать электричес­
кую цепь, с пом ощ ью ф отолитограф ии удаляю т слои двуокиси крем ­
ния в тех м естах пластины , где долж ны находиться тензорезисторы . В
этих м естах поверхность крем ния оказы вается открытой.
Т р е т и й э т а п . С п о м о щ ью м е т о д а и о н н о й и м п л а н та ц и и ато м о в
б о р а п ровод ят л еги рован и е о бл астей те н зо р ези сто р о в. Э то т процесс
п р о и сх о д и т при ком н атн ой те м п е р ат у р е. Д ля устр ан ен и я деф екто в,
возн и кш их в кри сталли ч еской реш етке во врем я п р оц есса и м п лан та­
ции, вы п ол н яю т в ы со к о тем п ер ату р н ы й отж иг. П ри этом на п о вер х ­
ности тен зо р ези сто р а образуется новы й тон кий слой д ву о ки си к р ем ­
ния, который играет роЛь защ итной маски, предохраняю щ ий тензорезистор
от неблагоприятного воздействия окруж аю щ ей среды . В этом слое с по­
5 4. Применение микроэлектронных технологий для создания датчиков_________4 5
м ощ ью специ альной ф отолитограф ии удаляю т двуокись крем ния в тех
м естах, где долж ны бы ть м еталлические контакты тензорезисторов.
Ч е т в е р т ы й э т а п . На пластину напы ляю т пленку алю м иния толщ и­
ной 0.1...0.2 мкм. С пом ощ ью ещ е одной ф отолитограф ии ф орм ирую т
м еталли ческую разводку, объединяю щ ую отдельны е тензорезисторы в
мостовую схему.
П я т ы й э т а п . Н а п оверхн ость пластины наносят ещ е один защ ит­
н ы й с л о й д в у о к и с и к р ем н и я , в к о то р о м м ето д о м ф о т о л и т о гр а ф и и
о тк р ы ваю тся о к н а п од контакты для эл ек тр и ч еск о го присоеди н ен и я
к р и ста л л а к в ы в о д н ы м к он так там д атч и ка.
Ш е с т о й э т а п . Э то н аи б о л ее о тв етс тв е н н ы й э та п п р о и зв о д ст в а
к р и ста л л а для д а тч и к о в д а в л е н и я . Н а ст о р о н е к р ем н и ев о й п л ас ти ­
ны, п роти вополож ной то й , где создан а эл ектри ч еская схем а, с пом о­
щ ью ф ото л и то гр аф и и вскры вается ок н о в 5 1 0 , для тр авл ен и я к р ем ­
ния. Д ал ее п р о в о д и тся ан и зо т р о п н о е тр а в л ен и е , н ап р и м ер , в 30 %
водном раство р е К О Н , в р езу л ьтате чего ф орм и р у ется у п руги й эл е­
м ен т н ео б х о д и м о й тол щ и н ы .
С е д ь м о й э т а п . П ласти на крем ния разделяется резкой, наприм ер,
с пом ощ ью л азер а, на отд ел ьн ы е кристаллы .
П роц есс и зго то вл ен и я к р и стал л а д а тч и к а д авл ен и я зак а н ч и в а ю т
к он тролем со п роти вл ен и я тен зо р ези сто р о в и толщ и н ы уп ругого эл е­
м ента. П ри п р ои звод стве датч и ко в п ред ъ явл яю тся ж естки е тр е б о в а­
ния к р а в е н с т в у с о п р о т и в л е н и я т е н зо р е зи с т о р о в м о с т о в о й сх ем ы .
Р азб р о с по с о п р о т и в л е н и ю м еж д у т е н зо р е зи с т о р а м и , как п р ав и л о ,
не долж ен превы ш ать ±0,2 %. Е щ е более ж есткие требования предъяв­
л яю тся к к ач еству ан и зо тр о п н о го тр авл ен и я при ф о р м и р о ван и и у п ­
р у го го эл ем ен та. З а д а н н ая то л щ и н а уп р у го го эл ем ен т а до л ж н а во с­
пр о и звод и ться с аб сол ю тн ой п огр еш н о стью не хуж е 1 мкм , что при
средней глубине травления в 450 м км представляет слож ную задачу.
В соврем енны х датчиках давления обязательны м элементом конст­
рукции является терм оком пенсирую щ ая пластина. И м енно к ней крепят
кристалл датчика давления. В свою очередь терм оком пенсирую щ ую пла­
стину тем или иным способом присоединяю т к корпусу датчика. П ласти­
на предназначена для ум еньш ения терм ом еханических напряжений, воз­
никаю щ их из-за различия в тем пературны х коэф ф ициентах линейного
расш ирения крем ния и м атериала корпуса (обы чно это м еталл или пласт­
масса). К ром е того, терм оком пенсирую щ ая пластина ослабляет м ехани­
ческие напряжения от установки кристалла в корпус датчика.
4 6 _____________ГЛАВА 5. М И КРОЭ ЛЕ КТ РОН НАЯ ТЕХ НОЛОГИЯ ДА ТЧИКОВ
Термокомпенсирующ ая пластина изготавливается либо из стекла, либо
из кремния. К пластине из стекла кристалл присоединяется электростати­
ческим методом, описанны м выше.
Н аи б олее п ривлекателен в кач естве м атер и ал а ком п ен си р у ю щ ей
пл асти н ы крем н и й . В этом сл уч ае т е р м о м е х а н и ч е с к и е н ап р яж ен и я
св о д ят ся к м ин им ум у. О сн о вн о й п р о б л ем о й , во зн и к аю щ е й п ри и с­
п о л ьзо ван и и крем ния для те р м о к о м п е н си р у ю щ е й п ласти н ы , я в л яе т­
ся с п о с о б со ед и н ен и я с к р и стал л о м . Н аи б о л ее ес те ств ен н о п р ям о е
ср а щ и в а н и е крем н и я. О дн ако и з-за то го , что на к р и стал л е д атч и ка
уж е сф орм и рован а электрическая схем а, тем пература в проц ессе ср а­
щ ивания не долж на превы ш ать 400 °С , а прям ое сращ ивание требует
б о л ее вы со к и х тем п ератур. П о это м у н аи б о л ьш ее п р ак ти ч ес к о е зн а ­
чение получил м етод соединения через тонкий стеклян н ы й слой, для
ч е го н а к р ем н и ев у ю т е р м о к о м п е н с и р у ю щ у ю п о д л о ж к у н ан о с и тс я
слой л егк о п л а в к о го стек л а то л щ и н о й 15... 100 мкм. П ри п овы ш ении
тем пературы до 400 “С стекло плавится и прочно соединяет части дат­
чика меж ду собой. С оединение м ож но проводить с прим енением элек­
т р о с т а т и ч е с к о го поля.
Для датчиков абсолю тного давления терм оком п енси рую щ ая плас­
тина — сплошная, а процесс соединения происходит в вакууме. Для дат­
чиков относительного давления в термокомпенсирую щ ей пластине пред­
варительно изготавливаю т отверстие для подачи опорного давления.
Т ен зо п р еобразовател ь вм есте с терм оком пен си рую щ ей пластиной
п р и со ед и н я ю т к корп усу д а тч и к а о б ы ч н о с п ом ощ ью клея или л е г ­
ко п лавко го стекла. Н а рис. 5.17 п о к азан а сх е м а кон стр у кц и и д а тч и ­
ка аб со л ю тн ого давления ти п а М Х ф ирм ы Мо1ого1а [5.9].
В неш ние м еталлические контактны е проводники 5 находятся в одной
плоскости и на такой ж е высоте, что и кристалл /. Это позволяет с помо­
щ ью стандартного оборудования для производства интегральных схем со­
единять контакты кристалла с внеш ними электрическим и выводами датчи­
ка, что удеш евляет стоимость производства.
Н а кристаллах д атч и ков давления, кром е тен зо р ези сто р о в, обы ч­
но со зд а ю тся д о п о л н и т ел ь н ы е р ези сто р ы для б а л а н с и р о в к и м о с т о ­
в о й с х е м ы и к о м п е н с а ц и и т е м п е р а т у р н о й за в и с и м о с т и т е н з о ч у в ­
ствительности. Эти резисторы , как правило, создаю тся после того как
сф о р м и р о ван а тен зорези сти вн ая схем а, а балан си ровка нуля и тен зо ­
чу встви тельн о сти п ровод и тся путем л азер н о й подгон ки с о п р о т и в л е­
ний д о п о л н и тел ьн ы х р ези сто р о в .
5.4. Применение микроэлектронных технологий для создания датчиков
147
Рис. 5.17. Конструкция датчика абсолютного
давления типа МХ [5.9]:
/ —- к р и ст а л л д а т ч и к а д а в л е н и я , 2 — с о е д и н е н и е к р ем н и я с т е р м о к о м п ен с и р у ю ш ей п л а с т и н о й , 3 — тер м о к о м п ен си р у ю ш а я п л а ст и н а; 4 — с о ­
ед и н ен и е т ер м о к о м п ен си р у ю ш ей пластин ы с корпусом ; 5 — вн еш н ие
вы вод ы ; 6 — з а щ 1гтное п окр ы т и е
Н а заклю чительном этапе сборки на п оверхн ость кристалла датчика
давления наносят защ итное покрытие, предохраняю щ ее кристалл от воз­
действия влаги и агрессивны х вещ еств окруж аю щ ей среды. Защ итное
покры тие долж но обладать хорош ей эластичностью , чтобы не создавать
дополнительны х термом еханических напряжений в упругом элементе. Для
этих целей хорош о подходят крем нийорганические гели.
В сущ ествую щ их датчиках и зм еряем ое давление подается в о сн о в­
ном со стороны вы травленной полости, возникш ей при ф орм ировании
упругого эл ем ента и иногда с противополож ной стороны . Если и зм еряе­
мое давление подается со стороны тензорезисторов, то это предъявляет
особенно высокие требования к качеству и надеж ности защ итной пленки.
С пециф ические проблемы возникаю т при создании катетерных дат­
чиков давления. Такие датчики предназначены для измерений в полых
органах или кровеносной систем е человека или животных. О собен н ос­
тью конструкции этих датчиков являю тся сверхм алы е габаритны е разм е­
ры, особенно в поперечном направлении. При ум еньш ении габаритны х
размеров кристалла датчика возникаю т конструктивны е о ф ан и чен и я, свя­
занны е с прим енением анизотропного травления при форм ировании уп­
ругого элем ента. В ходе травления образую тся боковы е скосы, размеры
которых прим ерно равны глубине травления. П оперечны й разм ер крис­
тал ла датчика давления склады вается из размеров кольца жесткости, бо­
ковых скосов упругого элем ента и м ем браны . П ри глубине травления 450
мкм размеры кольца ж есткости и боковы х скосов составляю т около 2000
мкм и к этой величине необходим о добавить ещ е разм еры м ем браны . Во
4 8 _____________ГЛАВА 5. М И КРОЭ ЛЕ КТ РОН НАЯ ТЕХ НОЛОГИЯ ДА ТЧИКОВ
МНОГИХ случаях такие размеры катетерного датчика представляю тся слиш ­
ком больш ими.
В озм ож ность дальнейш его ум еньш ения поперечны х разм еров крис­
талла датчика при прим енении м етода анизотропного травления практи­
чески исчерпана. П оэтом у необходим новый подход к сборке элем ентов
конструкции датчика. Такой подход откры вает технология прям ого ср а­
щ ивания кремния. В качестве иллю страции применения нового м етода
сборки ниже приведена схема технологического маршрута создания чув­
ствительного элемента датчика давления катетерного типа с рекордно малы­
ми габаритами: длиной 900 мкм, ш ириной 400 мкм и толщиной 150 мкм и
мембраной размером 250 мкм. Датчик разработан в американской фирме
Лукас Нова Сенсор [5.10].
Н а первом этап е и зготовл ен и я (ри с. 5.18) и сп о л ьзу ю т с т а н д а р т­
ные к рем н и евы е пластины «-типа, которы е и м ею т в ы со к о кач еств ен ­
ную полировку только с одной стороны . Н а пластине создается с двух
с т о р о н за щ и т н ая м аск а из д в у о к и с и к р ем н и я. З атем п р о в о д ят д в у ­
с т о р о н н ю ю ф о т о л и т о г р а ф и ю , в р е з у л ь т а т е ч е го на п о л и р о в а н н о й
с т о р о н е п л асти ны в за щ и т н о й м а ск е о тк р ы в а ет ся с и с т е м а п о л о со к
ш и р и н о й 100 м км . Н а п р о ти в о п о л о ж н о й ст о р о н е п л ас ти н ы в сл о е
двуокиси крем ния ф орм ирую тся углубления, которы е и спользую т как
зн аки совм ещ ен ия для последую щ и х оп ераций сборки.
П о сл е о п ерации ф ото л и то гр аф и и п рои звод ят ан и зо тр о п н о е тр а в ­
л ен и е крем н и я в водном раство р е К О Н до глубины , где п р о и сх о д и т
сам о о стан о вк а п роцесса травл ен и я и з-за см ы кания п л оск о стей (111).
П ри ш ирине полоски у п оверхности в 100 мкм сам оостан о вка п роизой­
д ет на глубине й = 100 / л/2 мкм. В результате этой операции на пластине
возникает систем а канавок с треугольны м сечением , через которы е вп о с­
ледствии подм ем бранны е полости упругих элем ентов сообщ аю тся с ат­
м осферой.
Н а вто р ом этап е и зго то вл ен и я оки сн ую м аску на п о л и р о ван н о й
сто р о н е п ластины у д а л я ю т и п о в е р х н о сть крем н и я о б р а б а ты в аю т в
гидроф ильном растворе. П осле этого при тем пературе 900 °С производят
прям ое сращ ивание со второй пластиной, которая закры вает треугольны е
углубления первой пластины. О бразовавш ееся прочное соединение м еж ­
ду п ласти н ам и п озволяет в п оследую щ ем техн ол оги ч еско м п р о ц ессе
оперировать со сдвоенной пластиной как с единой м он окристаллической
структурой. Д алее ш лифую т и полирую т верхню ю присоединенную пла­
стину. В результате этой операций толщ ина второй пластины доводится
до 60 мкм (рис. 5.18, б).
5,4. Применение микроэлектронных технологий для создания датчиков
1,3
2—
4 —
5 —
149
— защитная маска 8Ю,
пластина л-З! Х« 1
знаки совмещения
углубление
60 мкм
1—
2—
3 —
4 —
пластина л-51 X» 2
пластина л-З! X» 1
защитная маска 5Ю,
окно в маске для совме­
щения фотошаблонов
5 — канал для подачи
опорного давления
1,4 — защитные маски
2,3 — пластины л-51 Хя 1 и X» 2
5 — окно совмещения
6 — полость под упругим
элементом
/5 мкм
1 — пластина р-$\ Х“ 3
2 — эпитаксиальный слой л-51
на пластине X» 3
1 — упругий элемент, л-5|’
пластина X» 3
2,3 — л-51, пластины X" 1 и X» 2
4 — канал для подачи
опорного давления
5 — полость под упругим
элементом 250 х 250 мкм
Рис. 5.18. Схема технологического маршрута изготовления катетерного
датчика давления
4 0 ______________ГЛАВА 5. М И К Р О Э Л Е К Т Р О Н Н А Я Т Е Х Н О Л О Г И Я Д А Т Ч И К О В
На третьем этапе изготовления сдвоенная систем а пластин со скры ­
ты м и канавками поступает на операцию терм ического окисления крем ­
ния, в результате чего на поверхности пластины создается защ итная мас­
ка из двуокиси кремния. Н а полированной стороне сдвоенной системы
пластин проводят операцию ф отолитограф ии, в результате которой в за­
щ итной маске откры ваю тся окна разм ером 250 х 250 мкм . Затем следует
операция анизотропного травления в водном растворе КОН до той поры,
пока травление не дойдет до первой пластины. В результате форм ируется
подм ембранная полость упругого элем ента, которая соединена каналом
треугольного сечения, по которому передается атм о сф ер н о е давление
(рис. 5.18, в).
Н а четвертом этапе изготовления защ итную м аску на поверхности
второй пластины удаляю т и откры тую поверхность крем ния обрабаты ва­
ют в гидрофильном растворе. Д алее проводится прямое сращ ивание крем­
ния с третьей крем ниевой пластиной. Эта пластина им еет эп и такси аль­
ный слой й-кремния толщ иной 5 мкм , вы ращ енны й на исходном крем нии
р-типа.
С ращ ивание ведется по эпи таксиальной поверхности третьей пла­
с т и н ы . В р е з у л ь т а т е п о л у ч а е т с я с т р у к т у р а , п р е д с т а в л е н н а я на
рис. 5.18, г и состоящ ая из трех частей. В ы травлен ны е полости и ка­
навки о к азы в аю тся вн овь ск р ы ты м и .
Н а пятом этапе изготовления с пом ощ ью операц ий ш лиф овки, по­
л и ровки и травления с третьей пластины удаляется весь крем ний р-типа,
так что о стается только эпи такси ал ьны й слой крем ния толщ и н ой 5 мкм,
который прочно соединен со второй пластиной. В результате образуется
структура, в которой роль упругого элем ента играет эпитаксиальная плен­
ка р азм ерам и 250 х 250 х 5 мкм. Б оковы е скосы в п олости под упругим
элем ен том направлены встречно друг другу, а не в разн ы е сторон ы , как
это и м еет м есто при обы чн ой схем е изготовления упругого эл ем ен та с
исп ользован и ем ани зотропн ого травл ен и я (см ., наприм ер, рис. 5.6) Это
составл яет при нци пиальны й м ом ент конструкции п ред ставлен н ого ва­
рианта кристалла датчика. П олучивш аяся структура покзана на рис. 5.18, д.
Д ал ее на ней по биполярной техн ол оги и ф орм ирую тся четы ре те н зо р е­
зи сто р а р -ти п а, соедин енн ы х по м остовой схеме.
Н а заклю чительном этапе изготовления всю кремниевую сборку, со­
д е р ж а щ у ю те н зо р е зи с т о р ы , ещ е раз п о д в ер гаю т м е х а н и ч е с к о й о б ­
раб о тке. Н а это т раз ш ли ф уется первая пластина, служ и вш ая до тех
пор основанием сборки. Ш лифовку производят до тех пор, пока общ ая вы­
5 4. Применение микроэлектронных технологий для создания датчиков_________
сота сборки не станет равной 150 мкм. П осле этого всю пластину разреза­
ю т на о т д е л ь н ы е к р и с т а л л ы , к о т о р ы е и м е ю т р а з м е р ы 9 0 0 х
X 400 X 150 мкм. О бщ ий вид кристалла датчика показан на рис. 5.13.
Э кспериментальны е исследования датчика давления, собранного на
основе описанного выш е кристалла, показали, что его чувствительность
5 =
= 30 мкВ / в ■мм.рт.ст.,
ЕР
где
— вы ходной сигнал м остовой схемы (в м икровольтах);
Р — и зм еряем ое давление (в мм ртутного столба);
Е — напряж ение питания м остовой схем ы (в вольтах).
П ред ставл ен н ая схем а тех н о л о ги ч еско го п р оц есса создан и я к р и ­
ст ал л а д а т ч и к а д а в л е н и я , хотя и д о с т а т о ч н о тр у д о е м к а , п о зв о л я е т
п о л у ч и ть д а тч и к и с х ар а к т е р и с т и к а м и , к о то р ы х и н ы м и т е х н о л о г и ­
ческим и путям и д о сти ч ь слож но или невозм ож но.
Ф и рм ам , вы п ускаю щ и м сери й н ы е датч и ки , п р ед сто и т сер ьезн ая
р аб о та по освоен и ю новы х технологий. Д о сих пор их деятел ьн о сть
к о н ц ен тр и р о в ал ась вок руг усл ож н ен и я эл ек тр и ч ески х схем на к ри с­
тал ле датч и ка. П р и м ен ен и е новы х тех н о л о ги й ф о р м о о б р а зо в а н и я и
сб о рки п о зв о л я е т н аи б о л ее полно и сп о л ь зо ва ть во зм о ж н о сти к р ем ­
ния и м и кроэлектрон н ы х технологий для обесп ечен и я м ассового вы ­
пуска вы сокоточн ы х и деш евы х датчи ков.
ХНМИЧЕС к и н Д А Т Ч И К НА ОКИС Ь У ГЛ ЕР О Д А
Д ля к о н тр о л я т е х н о л о г и ч е с к и х п р о ц е с с о в и о ц ен к и со с то я н и я
окруж аю щ ей среды , при м едицинских и сследован и ях и в различны х
с и с те м а х п о ж а р о б е зо п а с н о с т и или к о н тр о л я газо в о го со с то я н и я в
ш ахтах необходим о и зм ерять концентрацию вещ еств, особенно вред­
ных и опасны х. О бы чная техника хим ической лабо р ато р и и слиш ком
громоздка, а время изм ерения при этом довольно велико и стоим ость
ан ал и за ч р е звы ч а й н о вы сок а. Д ля п ро вед ен и я и ссл ед о ван и й тр е б у ­
ется хо р о ш о п о д го то в л ен н ы й , к вал и ф и ц и р о ва н н ы й п ерсон ал. В т е ­
чен ие п оследни х 15...20 л ет в р азли ч н ы х н ауч н о -и ссл ед о вательск и х
л аб о р ато р и ях вели сь ин тен си вн ы е исследовани я по создан и ю д а тч и ­
ков, и сп ользую щ их р азл и ч н ы е ф и зи к о -х и м и ч еск и е эф ф екты для о п ­
р еделения концентрации вещ еств. Зн ачительн ы й прогресс в этом на­
правлении д о с ти гн у т благодаря при м ен ен и ю м и кр о эл ектр о н н о й
технологии.
4 2 ______________ ГЛАВА 5. М И К Р О Э Л Е К Т Р О Н Н А Я Т Е Х Н О Л О Г И Я Д А Т Ч И К О В
Среди различны х эффектов, которы е м ож но прим енять для определе­
ния концентрации вещ еств, особое м есто зан им ает эф ф ект изменения
проводим ости полупроводниковы х пленок при изм енении состава атм ос­
феры , окруж аю щ ей пленку. В этом эф ф екте молекулы исследуем ого ве­
щ ества адсорбирую тся на поверхности и обм ениваю тся электронам и с
полупроводниковой пленкой и тем сам ы м изм еняю т ее проводим ость. К
числу таких полупроводниковы х м атериалов, в которых эф ф ект изм ене­
ния проводимости ярко вы раж ен, относится двуокись олова 8пО ,.
Ч увствительность пленки двуокиси олова к концентрации хи м и чес­
ких вещ еств в окруж аю щ ей атм осф ере увеличивается по мере р о ста тем ­
пературы пленки. П овы ш ение тем пературы облегчает обмен электрон а­
м и м еж д у ад со р б и р о в а н н ы м и м олекул ам и х и м и ч ес к о го в е щ е с т в а и
полупроводником. Такой же особенн остью обладаю т окислы цинка, ж е­
леза, титана. П ленки двуокиси олова получили наибольш ее прим енение
из-за удобства обращ ения с ними и воспроизводим ости парам етров м ате­
р и ал а при его изготовлении.
Э к сп е р и м е н ты п о к азы в аю т, что п р о в о д и м о с ть эти х п л ен о к при
наличии в воздухе, н апри м ер, окиси угл ер о д а (угарн ы й газ) и зм ен я­
ется по закону:
С=С,+к{Р,,Т
где
— проводим ость пленки 8пО^ в чистой атм осф ере (без СО);
С — проводим ость пленки при наличии СО ;
^со — к о н центрац ия окиси у гл ерод а;
к и т — численны е парам етры , зависящ ие от типа оп ределяем ого
хим ического вещ ества.
Н аи л у ч ш и е результаты при и зм ерен и и кон ц ен трац и и С О д о с ти ­
гаю тся, если тем п ер ату р а пленки 8 0 0 ^ около 300 °С. В этом случае
т » 0.5, а А я 0.65, при услови и , что к он цен трацию оки си у гл ер о д а
и зм ер ять в м и ллион ны х долях на едини цу объем а.
Из пленки двуокиси олова м етодом ф отолитограф ии м ож но сф ор­
м и р о вать р ези стор, и по и зм ен ен и ю его со п р о ти вл ен и я о тн о с и тел ь ­
но сопротивления в чистом воздухе судить о концентрации окиси у г­
л ер о д а. С п ом ощ ью м и к р о эл ек тр о н н о й те х н о л о ги и у д ал о сь со зд ать
п р ак ти ч еск и е вари ан ты д а тч и к о в с м ал ы м и габ ар и там и , н евы соки м
потр ебл ен и ем эн ерги и , х о р о ш ей во сп р о и зво д и м о с тью п ар ам етр о в и
вы со к о й ч у в ств и те л ь н о стью .
5 4 Применение микроэлектронных технологий для создания датчиков
153
На рис. 5.19 схем атически показана конструкция чувствительного
элем ента датчика окиси углерода. О снову-чувствительного элем ента со­
ставляет крем ниевая структура, ан алогичная по ф орм е упругому эл е­
м енту крем ния датчика давления. Кольцо жесткости служ ит для при сое­
ди н ен и я к р и ста л л а к корпусу датчи ка. Н а тон ко й части (м ем б р ан е)
располагаю тся элем енты электрической цепи датчика.
Н а поверхности кристалла путем терм ического окисления создает­
ся слой двуокиси кремния. О н предназначен для электрической изоля­
ции элем ентов электрической цепи от кремниевой подложки.
Н а поверхность изолирую щ ей пленки 81 0 , напы ляю т слой золота, из
которого затем с пом ощ ью операции ф отолитограф ии форм ирую т рези с­
тивны й нагреватель. Н агреватель можно сделать и из поликристаллического кремния, который предварительно долж ен бы ть вы ращ ен на пленке
двуокиси кремния.
С ледую щ и м ш агом те х н о л о ги ч ес к о го п роц есса является н ан е се­
ние в т о р о го сл оя д в у о к и с и к р ем н и я. Н а э т о т р аз д и эл е к тр и ч е ск у ю
п л ен ку п ол у ч аю т о саж д ен и ем из газо в о й ф азы (см . п. 5.1). В то р о й
слой двуокиси крем ния, так же как и первый, предн азначен для и зо ­
ляции элем ен тов электри ч еской цепи м еж ду собой.
На п о л учен н ы й сл ой д в у о ки си крем ни я о са ж д ае тс я п лен ка д в у ­
оки си о л о ва и м етод ом ф о то л и то гр аф и и ф о р м и р у ю тся р ези сто р , на
п оверхн ости к оторого п рои сход и т ад сорб ц ия м олекул оки си у гл ер о ­
да (хем орези стор).
Рис. 5.19. Схема газового датчика;
I — и зм е р ен и е п р о в о д и м о с ти . 2 — 5 п О .. 3 — рези с ти вн ы й н агрев ател ь
4 — 5 1 0 ., 5 — 5)
4 4 _________
ГЛАВА 5. М И КРОЭ ЛЕКТРОН НАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДАТЧИКОВ
Для присоединения контактных проводников на концы хем орезисто­
ра из 8пО , необходимо напы лить слой проводящ его металла. Поскольку
датчик работает при тем пературах кристалла около 300 °С, материал про­
водника долж ен бы ть устойчивы м к тем пературны м воздействиям. В ка­
честве такого м еталла обы чно используется хром — м атериал, получив­
ш ий ш и р о к о е п р и м е н е н и е в м и к р о э л е к т р о н и к е . С х е м а р а з в о д к и
проводников на кристалле форм ируется с помощ ью специальной фотоли­
тографии.
Д ля о бесп ечен и я вы сокой те м п ературы р ези сто р а из 8п О , необ­
ходи м о у м ен ьш и ть теп л оем кость области кри сталла под рези стором
и со к р ати ть теп л оп отери . Д ля ум ен ьш ен и я те п л о ем к о сти рези сто р ы
р асп о л агаю т на тонкой крем н и евой м ем бран е, которая ф орм и руется
с п ом ощ ью м ето д а ж и д к о стн о го ан и зо тр о п н о го тр авл ен и я. О бы чн о
то лщ и н а крем н иевой м ем браны составл яет 5... 10 мкм.
Т еп л о е м к о сть к р и ста л л а д а тч и к а м ож н о д о п о л н и т ел ь н о у м е н ь ­
ш ить, если у д ал и ть крем н и й из о б л асти под р ези сто р о м , так что в
итоге и нагреваю щ ий резистор и рези стор из 8пО^ будут находиться
на пленке из двуокиси кремния. В этом случае для обеспечения рабо­
чей т е м п е р ат у р ы 300 °С к р а з о гр е в а ю щ е м у р е зи с т о р у д о с т а т о ч н о
подводить м ощ ность 100...200 мВт.
Н а к р ем н и евой п л астин е о д н о в р ем ен н о и зго тавл и ваю т н еск о л ь ­
ко со т ен к р и ста л л о в , что с н и ж а е т их с т о и м о с ть . П л о щ ад ь то н к о й
части к р и стал л а (м ем б р ан ы ) со с та в л я е т около 1,5 м м “. П осле и зго ­
товлен и я кристалл м онтируется в корпусе датчика.
Общей проблемой для химических датчиков является избирательность по
отношению к контролируемому химическому веществу. Для ее повышения в
серийно выпускаемых датчиках применяют следующие способы.
1. В веден ие сп ец и ал ьн ы х при м есей в состав п олуп ровод н и ковой
пленки. Н априм ер, для повы ш ения и зб и рательн ости к окиси у гл ер о ­
да в состав пленки двуокиси олова необходим о вводить доп олн и тель­
ные атомы кислорода сверх треб уем ы х по хи м ической ф орм уле.
2. Р ац и о н ал ьн ы й вы б ор те м п е р ат у р ы хем о р ези сто р а.
3. П р и м ен ен и е д о п о л н и тел ьн ы х ф и л ьтров, о б есп еч и в аю щ и х по­
вы ш ен и е и зб и р ател ьн о сти датч и ка.
Ф ирм а М оторола освоила вы пуск хим ических датчиков окиси угле­
рода типа М 0 8 .
5 4. Применение микроэлектронных технологий для создания датчиков
На рис. 5.20 приведена конструк­
ция датчика, на котором указано рас­
положение дополнительного фильт­
ра, повы ш аю щ его избирательность к
окиси углерода [5.12].
Ч у в ств и тел ь н о ст ь х и м и ч ес к и х
датчиков определяется как отношение
сопротивления хеморезистора из 8пО,
в чистом воздухе Кд к его сопротивле­
нию , когда в воздухе присутствует
окись у те р о д а : 8 = Я д/
. Если кон­
центрация окиси углерода составляет
60 ■10 ’, то 5 » 6. При этом сопротив­
ление хем орезистора в чистом возду­
хе
» 1 • 10’ Ом, сопротивление на­
гревателя Яд а 300 Ом, а максималь­
ное
падение
напряж ени я
на
нагревателе не превыш ает 5 В. По сво­
им характеристикам хим ические дат­
чики ф ирм ы М о то р о л а п озвол яю т
производить измерения с погреш нос­
тью , не превыш аю щ ей 1 %.
155
Рис. 5.20. Схема конструкции
газового датчика на окись углерода
типа М 05;
/ — защ и т н ая с е тк а; 2 — се л ек ти вн ы й ф и л ьтр; 3 —н ей л о н о в ы й корпус; 4 — защ и т н ая сетк а, 3 — м е­
т ал л и ч еск и й каркас, 6 — зо л о т ая п ровол ока; 7 —
крем ниевая
п ластин а;
Н —
соедин ен ие;
9 — э л ек тр и ч е ск и е ю н т а к т ы
ГАЗОВЫЙ ХРОМ АТОГРАФ НА К РЕМ Н И ЕВ О Й П ЛАСТИНЕ
О дним из наиболее интересны х и перспективны х применений крем­
ниевых технологий является полностью интегрированная систем а газо­
вой х р ом атоф аф и и , разработанная в Стэнфордском университете СШ А.
П ервы е сообщ ения о разработке системы относятся к началу 80-х годов
[5.13], однако исследования и публикации о новых конструктивны х реш е­
ниях продолж аю тся и до настоящ его времени. Г азовы й х р о м ато ф аф дает
возм ож ность установить наличие тех или иных вещ еств в газовой пробе,
пропускаемой через хром атоф аф . М атематическая обработка сигнала хро­
м атограф а позволяет оп ределить и процентны й со став анализируем ой
смеси.
О с н о в н а я и дея г а зо в о й х р о м а т о г р а ф и и с о с т о и т в с л е д у ю щ е м .
С м есь газов (газовую пробу) п ропускаю т ск во зь колонку, им ею щ ую
п о в е р х н о сть с и зв е ст н ы м и х ар а к тер и с ти к ам и . К о гд а газо вая п р о б а
156
ГЛАВА 5. МИКРОЭ ЛЕКТРОН НАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДАТЧИКОВ
вм есте с газом-носителем движ ется через колонку, взаим одействие м оле­
кул газа со стенками приводит к возрастанию отличий в подвиж ности
меж ду компонентам и газовой см еси. И з-за различной подвиж ности раз­
ные компоненты смеси достигаю т конца колонки за разное время, что
позволяет идентиф ицировать составляю щ ие фракции. М омент прихода
того или иного компонента газа к концу колонки фиксируется терм орези ­
стором.
Блок-схем а устройства показана на рис. 5.21. О но состои т из капил­
лярной колонки, вентиля подачи газа и тонкопленочного терм орезистора,
разм ещ енны х на крем ниевой пластине диам етром 50 мм.
В се составляю щ ие хром атографа вы полнены с прим енением методов
фотолитографии, химического травления и электростатического соеди­
нения.
Э ф ф ективность работы лю бого хром атограф а пропорциональна от­
нош ению I /
где I — длина колонки,
— эфф ективны й коэффи­
циент диф ф узии изучаемого компонента газовой см еси [5.14]. Поэтому
при конструировании хром атографов стрем ятся увеличить длину колон­
ки I . В рассм атриваемом хром атограф е колонка представляет собой ка­
пилляр в виде спиральной канавки ш ириной 200 мкм, глубиной 40 мкм и
длиной 1,5 м, полученной изотропны м травлением. П осле того как крем­
ниевая пластина электростатически соединяется со стеклянной пласти­
ной, спиральная канавка превращ ается в капиллярную газовую раздели­
тельную колонку, спиральные участки которой герметически изолированы
благодаря прочному соединению крем ния со стеклом.
Рис. 5.21. Блок-схема газового хроматографа:
1 — вход вентил я газо во й п р о б ы . 2 — вх о д вен ти л я газа-н о си т ел я, 3 — входн ой
ве н т и л ь . 4 — вы ход н ой в е н ти л ь . 5 — т е р м о р е зи с т о р ы . 6 — к ап и л л яр н а я к о лон н а
5.4. Применение микроэлектронных технологий для создания датчиков
157
Газ В колонку поступает через вентиль, вы полненны й в той же плас­
тине вм есте с колонкой. Тело вентиля вы травливаю т на крем ниевой плас­
тине в три этапа. С начала с помощ ью изотропного травления делаю т уг­
лубление, образую щ ее цилиндр вентиля. Вторым изотропны м травлением
ф орм ирую т углубление, где располагается диаф рагм а вентиля. Н а заклю ­
чительном этапе с помощ ью анизотропного травления в пластине ф орм и­
руют маленькие отверстия входа и выхода вентиля. В качестве гибкой гер­
м ети зи рую щ ей д и а ф р а гм ы вен ти ля и сп ол ьзую т то н к и й (5 ... 15 м км )
никелевый диск, изгибаемый с помощью небольшого соленоида (рис. 5.22).
Рис. 5.22. Схема устройства вентиля газового хроматографа:
1 — корп ус клап ан а, 2 — т ел о с о л е н о и д а, 3 — п о д в и ж н ы й п лун ж ер; 4 — н икелевая
д и а ф р агм а , 5 — у п л о т н и т е л ь н о е к о л ь ц о , 6 — о т в е р с ти е к л а п а н а . 7 — к рем н иевая
П оверхность герм етизирую щ ей диаф рагм ы и тело вентиля покрыты
органической пленкой парилена, предохраняю щ ей от утечек газа.
Т ерм орези стор изготавли вается м етодам и м и кроэлектрон н ой те х ­
нологии на отд ел ьн ой п ластин е крем ния. Н а первом этапе исходная
пластина окисляется с двух сторон, так что на обеих сторонах пластины
создается защ итная м аска двуокиси крем ния. Н а одну из сторон напы ля­
ют слой никеля толщ иной 1ООО А, из которой с помощ ью фотолитографии
формируется терм орезистор. Н а обратной стороне пластины вскры ваю т
окно в защ итном слое 810^ и методом анизотропного травления удаляю т
весь кремний до слоя двуокиси кремния на первой стороне пластины. Н и­
келевый терм орезистор оказы вается терм ически изолирован от крем ние­
вой подложки. Газы, разделяем ы е в капиллярной колонке, проходят над
терм орезистором , а затем выпускаю тся. Благодаря хорош ей термической
изоляции терм орези стора от остальной конструкции его сопротивление
при заданном расходе протекаю щ его газа зависит от теплопроводности
окруж аю щ ей газовой среды . И зм енение теплопроводности приводит к
158
ГЛАВА 5. М И К Р О Э Л Е К Т Р О Н Н А Я Т Е Х Н О Л О Г И Я Д А Т Ч И К О В
изменению локальной температуры терм орезистора и его сопротивления.
П редварительная градуировка терм одатчика позволяет по изменению его
сопротивления установить наличие того или иного компонента газовой
смеси. Этому способствует вы сокий тем пературны й коэффициент сопро­
тивления никеля — около 0.55 % град '.
Газовы й х р о м атоф аф работает следую щ им образом. П осле полной
продувки системы инертным газом-носителем, который поступает на вход
2 под избыточным давлением 0,2 атм, вентиль 3 откры вается и через вход
1 в колонку поступает проба неизвестного газа под давлением несколько
выш е, чем 0.2 атм. П осле введения пробы объемом около 5 нл вентиль
снова закры вается и газ-носитель переносит пробу через капиллярную
колонку 6. П оскольку вы травленны й капилляр им еет наполнитель для га­
зовой х р о м атоф аф и и , входящ ие в состав пробы компоненты разного мо­
лекулярного веса проходят через колонку с разной скоростью и поэтому
вы ходят из системы последовательно. Т ерм орезистор 5 восприним ает ко­
лебания теплопроводности газового потока, и изм енение его сопротивле­
ния приводит к изменению падения напряжения на нем. Типичный вид
сигнала с х р о м ато ф аф а показан на рис. 5.23.
( ■ П1
А
и
р
ВI
100 мВ'
0
1
а:
1с
Рис. 5.23. Выходной сигнал миниатюрного газового хроматофафа;
А — азот, В — п ен тан , С — д и х л о р м ет ан , О — хл ор о ф о р м . Е — 111-три хлорэтан ,
Р — т р и х л о р э т и л е н , О — толуол
В состав х р о м ато ф аф а входит несколько вентилей и вспомогатель­
ных газовых каналов, обеспечиваю щ их предварительную подготовку при-
5. 5. Т ен д ен ц и и п р о и зв о д с т в а м ик р оэл ек тр онн ы х датчи к ов
49
бора К работе, наприм ер блок продувки, канал вы б р о са неиспользован­
ной пробы, автом атический измеритель интервалов времени.
В настоящ ее время им ею тся сообщ ения о разработке вариантов га­
зового хром атограф а, способного определить наличие в пробе газа во сь­
ми составляю щ их в течение трех м инут с абсолю тной п огреш ностью до
1 ■10-\
5.5. ТЕН ДЕН Ц И И П РО ИЗВО ДСТВА .М ИКРОЭЛЕКТРОННЫ Х ДАТЧИКОВ
М икроэлектронная технология позволяет создавать датчики с хоро­
ш ими м етрологическим и характеристикам и и низкой стоимостью , при­
чем последняя имеет четко выраженную тенденцию к снижению . В ы со­
кое к а ч е с т в о к р е м н и я и д р у г и х м а т е р и а л о в , п р и м е н я е м ы х в
м икроэлектронной технологии, обеспечивает производство датчиков дав­
ления с погреш ностью измерений 0.02 % [5.15],
С другой стороны , низкая стоим ость датчиков определяется преж де
всего больш им числом кристаллов, которые м ожно получить с одной пла­
стины. Если крем ниевая пластина имеет диам етр 100 мм, а разм ер крис­
талла датчика давления 1 х 1 м м ^ то с одной пластины м ожно получить
около 6000 кристаллов. О бы чно технологические операции производят­
ся не с одной пластиной, а с партией, содерж ащ ей 25 пластин. В результа­
те после окончания технологического цикла производства из партии пла­
стин м ож но получить до 15000 кристаллов. С тоимость датчиков будет
определяться индивидуальной сборкой, настройкой, испы таниями и мет­
рологической аттестацией. При массовом производстве стоимость датчи­
ков составляет от одного до нескольких долларов.
По этим причинам датчики на основе микроэлектронной технологии
широко прим еняю тся в технике и научных исследованиях. О бщ ий объем
продаж датчиков в мире в 1995 году составил 6 м иллиардов долларов, и
из них не менее 25 % приходится на долю датчиков, производимы х по
микроэлектронны м технологиям . По оценкам экспертов объем продаж
всевозм ож ны х м и кроэлектрон ны х датчиков д ости гн ет 10 м иллиардов
долларов к 2005 году.
В н а с т о я щ е е в р е м я из о б щ е го о б ъ е м а п р о и зв о д с т в а д а тч и к о в
40 % приходится на долю датчиков давления, 25 % — тем пературы ,
13 % — ускорения, 9 % — потоков газа и жидкости, 5 % — силы. Н аиболь­
шие темпы роста применения микроэлектронных датчиков наблюдаются в
автомобильной пром ы ш ленности и робототехнике. Средний годовой темп
160
ГЛАВА 5. М И К Р О Э Л Е К Т Р О Н Н А Я Т Е Х Н О Л О Г И Я Д А Т Ч И К О В
п рироста объема производства датчиков составляет 6 % , хотя для отдель­
ных секторов производства дости гает 20 %, как, например, для датчиков
перемещ ения и интеллектуальных датчиков [5.15]. Столь значительны е
тем пы роста связаны с больш ой практической значим остью применения
датчиков. Так ш ирокое использование датчиков давления для контроля
сгорания топлива в автом обилях привело к сущ ественном у сокращ ению
объемов расхода горючего на 100 км пробега: в 1974 году расход состав­
лял 20 л на 100 км, а в 1994 г о д у — 8,5 л на 100 км [5.15].
Ш ирокие возм ож ности м икроэлектронны х технологий дали мощ ны й
импульс развитию м икроэлектром еханических систем нового класса при­
боров, интенсивно развиваю щ ихся в последнее десятилетие. В микроэлек­
тром еханических систем ах на одной крем ниевой пластине формируется
несколько датчиков различны х ф изических и хим ических величин вм есте
с электроникой, обрабаты ваю щ ей и преобразую щ ей сигналы с датчиков.
И хотя до сих пор ведутся споры о целесообразности объединения на од­
ной крем ниевой пластине нескольких датчиков, новое направление уже
заявило о себе рядом интересны х технических разработок [5.16].
С П И С О К ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 5
5 .1 . Р ге ^ з и ге ап б ( е т р е г а Ш г е Г гап зби сегз. К а т а л о г / Nа^^опа1
8ет1сопс1ис1ог8 / Б .И ., 1980.
5.2. Е.М. 8сНоопеVеШ, С Ж Е . Уап Е]Ис, К Ж . НоПапВег, 8.А. Аибе!81Псоп 81:г1р беСесГог Гог Р-габ1осЬгота1оёгорЬу — N 0 0 !. 1п51:гит. М еЛ .,
(1988), А 275, Р. 597-602.
5.3. П ет ер с ен К .Э . — К р е м н и й как м е х а н и ч е с к и й м ате р и ал //
Т И И Э Р, 1982. — Т. 70, № 5.
5.4. Технология СБИ С / П од ред. С. Зи. — М осква: М ир, 1986.
5.5. Бачурин В.В., П олехов В.В., П ы хт унова А.И . П рим енение ани­
зо тр о п н о го травл ен и я крем ни я в техн ол оги и и зго то вл ен и я п олуп ро­
водн и ковы х приборов // О бз. по электрон н ой технике. Сер. 2. Полупровод. приборы. 1982. — Вып. 3 (859),.
5.6. С. ШаШз, 0.1. РотегаШ г — Р1е1б а58181еб §1а85-те1:а1 8еа11п§ —
I. АррИеб РКуз, 1969. — V. 40, № 10. — Р. 3946-3949.
5.7. В.С. Е гуе, А.Е. Сг1//Ик, Т.Н. П 'апу А Г1е1б-а55181еб Ьопб1п§
ргосезз Рог зШсоп б1е1ес1т1с 15о1а1юп. — 1. Е1ес1гос1гет. 8ос., 133 (1986),
1673,
Список литературы к главе 5
___________________ __________________________
5.8. ^ В. 1аз(у \АаГег Ьопс1!п§ 1ог зШсоп оп Ш5и1аЮг 1есЬпо1о§у — 3.
Арр1 Р Ь у ь .Ь е й .,4 8 ,(1 9 8 6 ), 78.
3.9. 8 е т о г, Оеу1се Оа!а, МоСогок, ЗЕс1, (1995).
5.10. В. Скг1х1е1, К. Ре1егхеп, ТЬе Ргосеес1ш§з оГ 1Ье 7-1Ь 1ш. СопЕ
оп 8оИс1 81. 8еп50Г5 апс1 АсгиаЮгз., (1996).
5.11. V. О ет агпе, А. Ог1$$е1, Ап 1п1е§га1ес1 1оуу-ро\уег (Ып-ГОт СО
§аз зепзог оп зИюоп, 8епзогз апс1 АсФаЮгз. V. 13 (1988). — Р. 301-314.
5.12. Скет гса! зепзог ргойисй, МоЮго1а 8епзог Оеу1се Ва1а, 1992,
8есИоп 3.
5.13. 8 .С. Теггу, А.Н. Аегтеп, А.В. А и^еИ — А §аз сЬготаГо^гарЫ с
а1г апа1узег ЕаЬг1са1ес1 оп зШсоп \уаГег — 1ЕЕЕ Тгапз. Е к с й о п Оеу1сез,
26, (1979). — Р. 1888-1896.
5 .1 4 . П о л и щ у к В .Р . К ак и с с л е д у ю т в е щ е с т в а // Б и б л и о т е ч к а
«Квант». — М.: Наука, 1989. — Вып. 72.
5.15. /. Вгухек — 1трас1 оЕ М Е М 8 1ес1шо1о§у оп зос1е1у — 8епзог8
апб ас1иа1огз, А 56 (1996). Р. 1-9.
5.16. К.О . РУае — М1сгое1ес1готесКап1са1 8 У 8 Т Е М 8 : 1п1ег(аст§
Е1есггоп1С5 Ю а N оп — Е1ес1гоп1с шоНб — Тес1ш1са1 01§ез1 1ш. Е1ес1гоп
О е у к е з т е е 1 т § , 1996, 8ап-Ргапс1зсо, 1996, О ес етЬ ег 8-11. — Р. 11-18.
П РИЛО Ж ЕН ИЕ
О С Н О В Н Ы Е Ф И ЗИ Ч Е С К И Е ЭФ Ф Е К ТЫ ,
И С П О Л Ь ЗУ Е М Ы Е В ДА ТЧ И К А Х
Самая важная часть науки о восприятии входных величин связана с
вы бором соответствую щ их ф изических явлений, подготовкой для их ис­
пользования, с разработкой м етодик прим енения, с расчетом изм еритель­
ных схем, оценкой и доведением м етрологических характеристик чувстви­
тельны х элем ентов до требуемы х норм.
К оличество ф изических явлений и эф ф ектов, которые использую тся
при изм ерении различны х величин, огромно и составляет несколько ты ­
сяч. О становим ся лиш ь на некоторы х ф изических явлениях, прим еняе­
м ы х для восприятия тем пературы , отн осительн ой влаж н ости воздуха,
м агнитной индукции, светового потока, радиационной и световой эн ер­
гии. Вы бор этих величин обусловлен их ш ироким распространением в
различны х областях науки и техники, в ж изни человеческого общ ества.
Д ействительно, свойства около 60 % ф изических величин и парам ет­
ров связаны с температурой. Т ем пература как функция состояния вещ е­
ства определяется энергией её молекул. Ч ерез эту энергию м ож ет быть
получена информация о других характеристиках вещ еств. Так, с учетом
температуры определяю тся плотность вещ ества, твердость, вязкость, хи­
мический состав, объём, расход и м ногие другие величины.
Влажность сырья, полуфабрикатов и конечного продукта является ха­
рактеристикой, влияющ ей на стоимость, производительность оборудова­
ния и т. п. При аттестации продукции электронной, химической, фармако­
л о ги ч ес к о й , пи щ евой и д р уги х о тр а сл ей п р о и зв о д ств а о б язател ьн ы
измерения влажности. Температура и концентрация влаги, например, в сель­
ском хозяйстве являются определяю щ ими измеряемы ми величинами при
первичной обработке и хранении зерна, сушке и консервировании зелёной
массы, тепловой обработке кормов, семян и молочной продукции, при со­
здании м икроклиматических условий в теплицах и хранилищ ах, в мелио­
рации, при санитарно-гигиенической обработке животных и др.
Основные физические эффекты, используемые в датчиках______________________
Особый интерес к измерению деформаций обусловлен тем, что многие
физические величины м огут относительно легко быть преобразованы в эк­
вивалентные им в информационном смысле перемещения.
В ы бор им енно назван н ы х вел и чи н обусл овл ен такж е их вл и ян и ­
ем на ж и зн ед еятел ьн ость и зд оровье человека.
Д ат ч и к и в б о л ь ш и н с т в е сл у ч ае в о сн о в ы в а ю тся на п р и м ен ен и и
о д н ого ф и зи ч ес к о го эф ф ек та. Д ал ее п р и во д ятся: к р атк о е о п и сан и е
ф и зи ч еск и х эф ф екто в, н азван и е осн о в н ы х м атер и ал о в ч у в стви тел ь ­
ных эл ем ен тов, о р и ен ти ровочн ы е свед ени я о ди ап азо н ах изм ерений,
п о греш н остях и бы стр о д ей стви и восприятия входн ы х величин. Э тот
м атериал пригоден для предварительного вы бора типа датчиков. Для
детал ьн ого рассм о тр ен и я особ енностей п рим енения вы бранного д а т­
чика необходим о пользоваться справочной литературой, так как при­
ведённы е зд есь дан н ы е ори ен ти ровочны е.
Д А Т Ч И К И ТЕМ П ЕРА ТУ РЫ
а) Э ф ф е к т З е е б е к а . Т е р м о э л е к т р и ч е с к и е п р е о б р а з о в а т е л и
(терм опары )
Зависим ость меж ду терм оэлектродвиж ущ ей силой Е.^,, возникаю щ ей
в цепи, составленной из разнородных проводников, и температурой Т места
соединений
этих
проводников
(г о р я ч и й
сп а й ):
= а Т + Ь П , где а, Ь - константы.
Т ерм оп ары : платин ороди й — платина, д и ап азо н о т О до 1600 °С,
п огреш ность « 0 ,1 ...0,5 % ; хром ель — алю м ель, диапазон от -2 0 0 до
1100 °С, погреш ность « 2...3 %; медь — константан, диапазон о т - 2 0 0 до
200 °С, погреш ность « 1 %. Б ы стродействие зависит от конструкции тер ­
мопары и толщ ины проводов. О но может находиться в диапазоне от мил­
лисекунд до минут.
О дин из вариантов конструкции терм опары приведен на рис. П.1.
..............................
■>Е,
/
/: /
,/.1
Рис. П.1. Конструкция термопары;
/ — сп ай 2 п ровод н и ков (х р о м ел ь-ал ю м ел ь ), 2 — корпус
(н ер ж а вею щ ая стал ь ); 3 — и зо л ято р (о к и с ь ал ю м и н и я)
164
ПРИЛОЖЕНИЕ
б) Ш ум Н айквиста
Н а м еталлических проводниках возникаю т тепловы е шумы, вы зван­
ные тепловы м движ ением носителей заряда. Эти ш умы не зависят от м а­
тери ала проводников,
= 4к Т Я А ( — напряж ение ш ума; к — постоян­
ная Больцмана; Я — электрическое сопротивление; А/'— п олоса частот.
Д иапазон температур ш ирок. Сущ ествую т терм ом етры , изм еряю щ ие
температуру о т -2 7 0 до 3000 °С, с погреш ностью м енее 1 %.
в) Т ерм опреобразователи сопроти влени я
З а ви си м о сть эл ек тр и ч еск о го со п р о ти вл ен и я от те м п ер ату р ы
Я(Т) = Я ^{\+ А Т + В Т + С Р ) , где А, В, С — коэф ф ициенты , зави­
сящ и е от свойств при м еняем ы х м еталлов, Я - сопроти вл ен и е тер м о ­
м етр а при н ач ал ьн ой тем п е р ат у р е, н ап р и м ер О °С. Д ля о те ч е с тв е н ­
н ы х т е р м о м е т р о в (п л а т и н а , м е д ь ):
= 10; 5 0 ; 100; 5 0 0 О м .
П о л у п роводни ки: герм ани й (О е, м о н окри стал л , пол и кр и сталл , н и те­
видны й к ри сталл); крем ни й (81, м о н о кр и стал л , п ол и кр и сталл , н и те­
видны й кристалл) и др. Т ем п ературн ы й коэф ф и циент сопроти влен и я
(Т К С ) м еталлов от 0,2 до 0,6 % на 1 °С. Ш ироко прим ен яется медь.
С оп ротивление из меди им еет практически линейную тем пературную
зав и си м о ст ь.
О дин из вари ан тов кон струкц и и м етал ли ч еского тер м о м ет р а со ­
противления приведён на рис. П .2.
3
Рис. П.2. Конструкция платинового термометра сопротивления:
1 — корпус, 2 — каркас из и зо л ято р а; 3 — п лати н овая п р о во л о ка
г) Терм исторы
С о п р о ти вл ен и е тер м и сто р о в Я (7 ) = Я ^ехр [В ( 1 / Г —
Я^ — сопротивление при начальной тем пературе окруж аю щ ей среды Т^.
Основные физические эффекты, используемые в датчиках______________________ 4 5
ТКС отечественны х терм и сторов от 2 до 4 % на 1 °С; ном инальное значе­
ние
при Т = 20 °С от 0 , 1 до 10 ’ О м; допуск на
от 10 до 20 %, диапазон
от -1 0 0 до 300 °С, п о ф е ш н о с т ь — 1...2 %. М атериал — см еси окисей
м арганца, кобальта, ж елеза, никеля и меди; сапф ир и др.
д) К в а р ц е в ы е д а т ч и к и
З а в и с и м о с т ь ч а с т о т ы к в а р ц е в о г о р е з о н а т о р а о т те м п е р а т у р ы :
!{Т) = (^{\ + а Т + Ь'Р+ с Р ) , где — частота при начальной температуре; а,
Ь, с — коэффициенты , зависящ ие от направления среза пластины. К варц
(810,): тем пература плавления 1470 °С, коэффициент терм очувствитель­
ности и 1 ■10 “К "'. Д иапазон о т -3 6 0 до 500 °С, погреш ность 0,01...0,1 %.
К варцевы е датчики обладаю т вы сокой стаб ильн остью и чувстви тель­
ностью (порог чувствительности 0,00001 °С).
е) Д и л атом етр и ч еск и е, би м етал л и ч еск и е и ж и дк остн ы е датчи к и
Э ф ф ект теплового расш ирения тел. Зависим ость расш ирения твёр­
ды х тел, ж идкостей и газов от изм енения температуры :
/ = /,[ 1 + а ( Г ,- Г ,) ] ,
где /|, /, — разм еры нагреваемого тела при температурах
а — коэф­
ф ициент теплового расш ирения.
Д и л атом етри ческ и е датчики: ди ап азон от - 5 0 до 300 К ', п огреш ­
ность » 3 % . К оэф ф ици ент линейного расш ирения п ластм асс « 8 0 10
с т а л и » 15 10^ К '.
Ж идкостны е датчики: диапазон от - 7 0 до 300 °С.
М ан о м е тр и ч е ск и е д атч и ки : д и ап азо н от - 1 5 0 до 650 °С, п о гр еш ­
н о сть » 1 ...5 % . К о эф ф и ц и ен т объ ём н ого расш и р ен и я эти л о во го сп и р ­
та 110 10 ’ К ', к ер о с и н а 96 10 ’ К г л и ц е р и н а 49 1 0'’ К ', ртути
18 Ю-’ К ' .
ж ) Е м к остн ы е датчи ки
В них используется термочувствительны й конденсатор из сегнетоэлектрика е(Г) = В I ( Т — Г ), где ё(7) — диэлектрическая проницаемость;
В - константа;
— тем пература Кюри. Д иапазон изм ерения от - 9 0 до
50 °С, погреш ность » 1...2 %.
ДА ТЧИ КИ С И Л Ы и Д А ВЛЕН И Я
а) М агни тоупр угие датчи ки
Изменение магнитной проницаемости ферромагнитных тел под воздей­
ствием приложенных сил (рис. П.З). М атериал: железо и его сплавы, сталь
166
П РИ ЛО Ж ЕНИ Е
электротехническая марки Э, сталь 3 и др., сплавы Ю — 12, никель — цин­
ковый феррит и др. Д иапазон от О до 150 МПа, погреш ность « 5 %. По­
греш ность от влияния температуры — до 3 % на 10 °С, п о ф еш н о сть от
гистерезиса 1...4 %.
В датчике изм енение магнитной проницаем ости сердечника под воз­
действием м еханического напряжения {Г) приводит к изм енению индук­
тивности (АВ).
б) П ьезоэл ек три ч еск и е датчи ки
С пособность диэлектрических кристаллов генерировать электричес­
кие заряды д при воздействии на них силой Я (ри с. П. 4). М атериал: кварц;
ти т ан ат бари я; сегн ето в ая соль, турм ал и н . Д и ап азо н от 13,3 П а до
689,5 М П а, погреш ность « 0,1 %.
Рис. П.З. Датчик силы;
Рис. П.4. Датчик силы:
I — о б м о т к а и н д у кт и вн о с т и . 2 — серд ечн и к
I — кри сталл кварц а, 2 — эл ек трод ы
в) П ьезорезои ансны е д атчик и
И зм ен ен и е частоты и зм ер и тел ьн о го квар ц ево го р езо н ато р а
от действия приложенной силы. Д иапазон от О до 138 кПа, погреш ность
» 0 ,1 %.
ДАТЧИКИ П ЕРЕМ ЕЩ ЕН И Й И Д ЕФ О РМ АЦ И Й
а) И ндукц ион ны е датчик и
Генерирование ЭДС {Е) в проводнике, движ ущ ем ся в м агнитном поле
постоянного м агнита Е = -м> (с1Ф/с11), где м/ - число витков; Ф — магнитный поток. П о ф еш н о с ть « 1 %.
Основные физические эффекты, используемые в датчиках
167
б) Т ензосоп роти влени я
И зм енение геом етрических разм еров и соответственно сопротивле­
ния при во зд ей с тв и и м ех ан и ч ес к и х д еф о р м ац и й - ё = Д / / / = Д/? /
/ Я к, гйе А1 / 1 — относительное изм енение длины проводящ его эле­
м ента тен зорези стора; АК / К — отн оси тельное изм енение соп р о ти в­
ления тен зорезистора; к — коэф ф ициент тензочувствительности. М а­
тер и ал : кон стан тан , никель, нихром , крем ний , ар с ен и д галлия и др.
Т ен зо ч у в с тв и те л ьн о с ть п ол уп р о во д н и ко вы х д атч и к о в в 50... 100 раз
бо л ьш е, чем у м ета л л и ч ес к и х . С о п р о ти в л ен и е п р о во л о ч н ы х д а т ч и ­
ков — д есятки и сотн и О м, п о л уп ровод н и ковы х — ты сяч и О м, по­
греш ность 1 % и менее.
в) Р еостатны е датчи к и
Л инейны е или угловые пере­
мещ ения движка реостата влекут
за собой изменения сопротивления
реостата (рис, П.5). М атериал ре­
о ст ата : к о н с т а н т а н , м а н га н и н ,
нихром. М атериал щ еток: плати­
на, палладий и др. Число витков
реостата обы чно не м енее 100.
г) Ё м к остн ы е датчи к и
М огут изменяться зазор м еж ­
ду обкладками конденсатора, пло­
Рис. 11.5. Реостатный датчик углового
щ адь обкладок, диэлектрическая
перемещения:
проницаемость. Д атчики сил дол- ' - к ольц евой р еостат; 2 — сш л ь зя ш и й контакт (щ езк а)
жны дополняться преобразовате­
лям и сил в перем ещ ение (обы чно в виде упругих элементов). Д атчики
обладают высокой чувствительностью, Имеются хорош о разработанные изм ерители ёмкости.
е) И н дук ти вн ы е датчи к и
И зм ен ен и е и н д у к ти в н о сти д р о с с е л я АЬ п р и и зм ен ен и и
зазора или площ ади сечения магнитопровода (рис, П .6). Н аиболее рас­
пространён м иллим етровы й диапазон, п о ф е ш н о с ть » 1 %.
168
ПРИ ЛО Ж ЕНИ Е
Ля
перемещения:
/ — д |к»ссель; 2 — п о д в и ж н ы й се рд ечн и к . 3 — о б м отка
и н д укти вн ости
ж ) Т рансф орм аторны е д а тч и к и
И зм енение взаим оиндуктивиости обмоток при их взаимном п ерем е­
щ ении, а такж е при перемещ ении ферромагнитного сердечника (рис. П .7).
Д иапазон перемещ ений — м иллим етровы й, погреш ность » 1%.
О бмотка п>] трансф орм аторного датчика питается от источника ста­
бильного переменного тока 1/~. И ндуцированная во вторичной обмотке
м>2 ЭДС (Е~) зависит от изменения длины воздуш ного зазора Д/ и, следо­
вательно, от связанной с зазором деф орм ации о.
0 и
Е~
Рис. П. 7. Датчик перемещения и
деформации:
/ — се р д еч н и к т р ан сф о р м ат о р а с п ер ви ч н о й и1 и
вто р и ч н о й о б м откам и н 2 ; 2 — возд уш ны й зазо р Д/.
2 — п о д в и ж н ы й серд ечн ик
Основные физические эффекты, используемые в датчиках
169
Д АТЧИ КИ М А ГН ИТНО Й ИН ДУКЦ ИИ
а) Датчики Холла
Возникновение электрического напряжения V в направлении, перпен­
дикулярном направлению м агнитного поля и направлению тока (7= у I
В, где у — коэффициент (рис. П .8). М атериал: крем ний, германий, арсе­
нид индия и др. Диапазон: 10 7..10^Тл; п о ф е ш н о с ть 0,1...2,5 % (частота
О ...2 0 0 к Г ц ). Н е с т а б и л ь н о с т ь ч у в с т в и т е л ь н о с т и — 0 , 1 .. .! %
в год. Н ужно учиты вать влияние м еханических напряж ений и тем п ер а­
турны х деф орм аций. Рабочий тем пературны й диапазон до 300 °С.
Под действием тока / и из­
м еряем ой м агнитной индукции
1
2
В, векторы которых взаимно пер­
пендикулярны , на изм ери тель­
ных электродах датчика возни­
к ает н ап р яж ен и е V. Зн ачен и е
э то го н ап р я ж ен и я за в и с и т от
геометрии датчика (длина, толщи­
на), тока, коэффициента Холла и
магнитной индукции.
б)
Д а т ч и к и на о с н о в е
эф ф екта Гаусса
И зм ен ени е электрического
со п р о т и в л е н и я в е щ е с т в а при
во зд ей стви и м агн и тн о го поля
вслед ствие изм ен ени я подви ж ­
ности носителей заряда, их сред­
ней концентрации и со о тн о ш е­
ния разм еров проводящ его ка­
н а л а ( р и с . П .9 ). М а т е р и а л :
висмут, кристаллы анти м он и д а
индия, ф ерром агнетики. Д и апа­
зон: 10 7 ..1 0 ’ Тл; п огреш ность
0 ,5...2,5 % (частота 0...20 кГц).
М алы й абсолю тны й разм ер со ­
противления.
Рис. П.8. Датчик магнитного поля:
/ - п о л у п р о в о д н и к (а р сен и д и н д и я).
2 — т о к о в ы е эл ек тр о д ы . 3 — и зм е­
р и те л ьн ы е эл ек трод ы
в и
Рис. П.9. Датчик магнитного поля:
/ — п лен о ч н ы й р е зи с то р из ф ер р о м а гн и т н о го м атериал а.
по
П Р И Л О Ж ЕН И Е
в) И н дуктивны е датчики
П ри изменении магнитного поля в замкнутом проводнике возникает
ЭДС индукции Е = -м/(1Р' / Ш, где зу — число витков; Е - магнитный поток.
М атер и ал с е р д е ч н и к а — ф ерри т, п р о в о д н и к а — м ед ь. Д и ап а зо н ы :
10 Г.. 10^ Тл (постоянное м агнитное поле), 1 0 '“...Ю ^Тл (частота от 20 Гц
до 30 М Гц); погреш ность » 0,5...2,5 % (частота О...20 кГц).
Д АТЧИ К И С В Е Т О В О Г О ПОТОКА
а) Ф оторезисторы
П оявление свободны х н осителей зарядов в полупроводниках и ди э­
л ектри ках в результате прон икновени я внутрь вещ ества. В ф о то р ези с­
то р ах и зм ен яется эл ек троп ровод н ость м атериалов при воздействии све­
то в о го потока. М атери ал — п о л и к р и с та л л и ч ес к и е п о л у п р о во д н и ки
(сульф ид кадм ия, селен и д кадм ия, тел лури д кадмия, сульф ид и селенид
свинца и др.); м онокри стал л и чески е (герм аний и крем ний, анти м он и д
индия, ар сен и д и ф осф и д индия и др.). Д иапазон: 10 Г ..10* лм. Тем новое сопротивление: 10... 10’ О м; спектральн ая область: 0,3 ...3 0 м км ; чув­
стви тельн ость: 10”'...10^ А /В т; частотны й диапазон: 10"-^...10* Гц.
б) Ф отодиоды
Э н е р ги я и зл у ч е н и я в ы з ы в а е т п е р е н о с н о с и т е л е й за р я д а ч е р ез
р-л-п ер ех о д, в результате на нём образуется р азн о сть потен ц и алов. М а­
тер и ал ы : герм аний, крем н ий (в ви д и м ой и бли ж ай ш ей и н ф р акр асн о й
обл астях ), ан ти м он и д и ар с ен и д ин дия (в и н ф р акр асн о й области ). Д и ­
ап азон : 10Г..10'’лм. Ч у в ств и тел ь н о сть — 10"^ А /лм ; тем н о в о й ток —
1 0 '* ...1 0 ''“ А; врем я зап азд ы ван и я — 2...5 ■ 10 ’ с; частотн ая х ар а к тер и ­
с т и к а — 10 '...1 0 “ Гц.
в) Ф ототранзисторы
П од воздействием излучения в базовой области образуются пары «элек­
трон — дырка», что равносильно приложению управляющего напряжения
между эмиттером и базой. Материал: германий, кремний, сульфид кадмия и
дф. Диапазон: 10 '...10*’лм. Чувствительность— 10 ' А/лм; темновой ток —
10"*...10"'“ А; время запаздывания — 2 *- 10 ^ с.
г) Ф отоэлектронны е ум нож ители (Ф ЭУ )
В Ф Э У используется принцип м н огократн ого усиления ф ототока
с п ом ощ ью в то р и ч н о й эм и сси и э л ек тр о н о в эм и ттер ам и , н ах о д ящ и ­
м ися в сам ом ум нож ителе. М атериал баллона: стекло, кварц. Д и ап а­
зон: 10"Г ..10''лм . Ч увстви тельность — 10"’ А / лм (10...1 0 0 м кА / Вт);
тем новой т о к — 10"*...10” А; время запазды вания — 10'“...10 * с.
Основные физические эффекты, используемые в датчиках______________________ 4 1
Д А ТЧИ К И В Л А Ж Н О С ТИ
а) Сорбционно-электролитические датчики
О снованы на концентрации растворённого или газообразного вещ е­
ства на поверхности твёрдого тела или жидкости. Чувствительный эле­
мент датчика представляет собой комбинированны й электрический на­
г р е в а т е л ь с и з м е н я ю щ и м с я от в л а ж н о с т и с о п р о т и в л е н и е м ^
У станавливается равновесное состояние между давлением водяного пара,
который образуется над поверхностью получивш егося раствора, и давле­
нием пара окруж аю щ ей среды . Установивш аяся при этом температура
служ ит оценкой влаж ности. М атериал; соль хлористого лития, полиэлек­
тролиты , сульфированный полистирол и др. Д иапазон; 15...20 % 100 %,
погреш ность: ± 1 °С точки росы (ТР). Интервал используемых тем п ера­
тур Т: -1 0 ...+ 6 0 °С. При - 1 0 °С < Т < +34 °С и +41°С < Т < +65 °С по­
греш ность ± 1°С; при +34 °С < Т < +41 °С п о ф е ш н о с ть ± 2 °С. Н а по­
греш ность влияю т скорость воздуш ного потока, наличие проводящ их
частиц и температура.
б) С орбц и он н о-в есов ы е датчи ки
Ч астота м ехан и ч ески х колебаний и зм ери тельн ого кварцевого
р езо н ато р а за в и си т о т м ассы п огл ощ ён н ой со р б ен то м влаги. М ате­
риал сорбента — окись крем ния, плёнки из поликапроам ида, селикагеля и др. Д и апазон — О...1 0 0 % ; 1,5...2 % .Т ем п ер ату р н ы й диапазон:
О...50 °С. Д атчики вы сокочувствительны — 0,1 р р т (п ром и лле). И с­
то чн и ки п огреш н остей : тем п ер ату р а среды , ги стер ези с, газы со р б и ­
рую щ иеся на плёнку.
в) С орбционно-деф орм ациониы е датчики
И зм е н е н и е р а з м е р о в м а т е р и а л а ч у в с т в и т е л ь н о г о э л е м е н т а от
влаж ности окруж аю щ ей среды . М атериал: обезж и рен н ы й волос, ней­
лон, капрон и др. Д иапазон: от О до 1 0 0 % , погреш н ость — 5... 1 0% .
Д атчики п рим ен яю тся в м етеорол оги и и быту.
РАДИАЦИОННЫ Е ДАТЧИКИ
а) Ионизационная камера
П оявление свободных носителей заряда в вещ ествах под действием
радиоактивного излучения изменяет состояние ионизационной камеры.
И о н и зац и о н н а я к ам ер а (ри с. П. 10): г ер м ет и ч н ы й ц и л и н д р и ч ес­
кий к о н д е н с ат о р (п о л а я о б к л а д к а и ц ен т р ал ь н ы й эл ек тр о д , за п о л ­
ненный газом). К онденсатор подключён к источнику электрического тока.
172
П РИ ЛО Ж ЕНИ Е
К онденсатор заряж аю т от источника; после прол ета части ц ы происхо­
ди т ионизация газа, что приводит к ум еньш ению заряда конденсатора и,
следовательно, к ум еньш ению разн ости потенциалов м еж ду его пласти­
нами. И м еется окно для прохож дения излучения из алю м иния или бе­
риллия. М аксим альная м ощ н ость дозы : 10* Р*- ч"'; чувствительность:
1...2 ■ 10"'^ А/Р* ч"'; давление: 1...20 10* П а; напряж ение: 600... 1000 В;
ионизационны й ток; 10"’ ... 10"'^ А.
и~
0
/
и
0
а
Газ
/
Нить
/
/
тшттт
/
/
/
/У
Рис. П. 10. Конструкция ионизационной камеры
б) С ч ётчик Гейгера — М ю ллера
При интенсивном электрическом поле первичные ионы, образуемые
излучением, приобретаю т энергию , достаточную для того, чтобы вторич­
ные ионы, возникающ ие в результате соударений, перевести в возбужден­
ное состояние. Эти ионы испускают фотоны в ультрафиолетовой области
спектра. Возникает лавинообразный процесс.
Трубка Г ейгер а — М ю м е р а
состоит из герм етичного баллона
Анод
с анодом , катодом и окном для
Катод
восприятия излучения (рис. П. 11).
Лавинообразный процесс распро­
Окно - слюда
страняется вдоль нити — анода,
располож енного в центре трубки.
Это приводит к образованию вы ­
ходного сигнала, амплитуда кото­
Рис. П.П. Конструкция счетчика
рого не зависит от чи сла первич­
радиоактивных частиц
ных ионов, образованны х радио­
активной частицей.
Основные физические эффекты, используемые в датчиках
43
С четчики и сп ользую т для д етекти р о ван и я части ц и и з­
мерения их энергии. Для остановки процесса см еш иваю т инертный газ
счетчика с другим газом (галогеном), который поглощ ает ультрафиолето­
вое излучение и прекращ ает распространения лавины.
М атериал анода: вольфрам; вольф рам -гаф ниевы й сплав; алю м осили­
кат бария. Катод: сплав ж елеза с хромом. О кно: слюда. Заполняю щ ий газ:
неон — галогеновая см есь, вклю чаю щ ая фтор, бром, хлор, йод и астат.
М аксимальная м ощ ность дозы ( а , Р, у частицы): 10 Е..10 Р/ч; м ерт­
вое время, в течение которого после начального им пульса трубка не чув­
ствительна к другим ионизирую щ им излучениям: 10...200 мкс; давление:
1,05 ■ 10’ Па; напряж ение 300...900 В.
в) С ц и н ти лл яц и он н ы е детекторы
П ревращ ение вещ еством чувствительного элем ента энергии активной
частицы в кванты света. О ни поступаю т на фотоумножитель, их число
увеличивается за счёт испускания динодам и вторичного излучения. М а­
териал: сульфид цинка, йодит натрия, йодит цезия, антрацен, толуол и др.
Средняя энергия, необходимая для возбуждения атома вещ еств, ис­
пускаю щ его фотон: 10...70 эВ; эф ф ективность сцинтилятора: 28 % ; кван­
товый выход фотокатода: 10...30% . Д остоинства: высокий процент реги с­
трируемы х частиц и эф ф ективность детектирования у-излучения.
г) П ол упроводниковы е детекторы
Детектор — конденсатор с твёрдым диэлектриком — полупроводником,
в котором образуются пары электрон— ды рка при воздействии радиоактив­
ного излучения. Материал — высокочистые германий или кремний, легиро­
ванные литием. Постоянная времени 10 ’ с; средняя энергия, необходимая
для возбуждения атома полупроводника: 3...4 эВ. Преимущества: малые раз­
меры, прочность; линейность выходного сигнала.
АЛЕЙНИКОВ
Александр Федорович
доктор технических наук,
заслуженный
изобретатель РФ,
чл.'корр. Международной
академии информатизации
и Российской академии
естественных наук
ЦАПЕНКО
Михаил Петрович
доктор технических наук,
профессор,
заслуженный деятель
науки и техники РСФСР,
академик Международной
академии информатизации,
Почетный академик
Российской академии
метрологии
ГРИДЧИН
Виктор Алексеевич
доктор технических наук,
профессор
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
4 539 Кб
Теги
datchik, perspektivni, 1aleynikov, gridchin, tsapenko
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа