Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2002
Тип роботи:
Інші
Предмет:
Метрологія
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний університет “Львівська політехніка”
ТЕРМОРЕ3ИСТИВНІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ
НА ОСНОВІ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МІКРОКРИСТАЛІВ
ІНСТРУКЦІЯ
до лабораторної роботи № 4
з курсу “Технологія та конструювання засобів вимірювання”
для студентів базового напрямку 6.0913 –
“Метрологія та вимірювальна техніка”
Затверджено
на засіданні кафедри
метрології, стандартизації
та сертифікації
Протокол № 6
від 1 лютого 2002 р.
Львівська політехніка 2002
Інструкція до лабораторної роботи № 4 з курсу “ Технологія та конструювання засобів вимірювання “ для студентів базового напрямку 6.0913 – “Метрологія та вимірювальна техніка” Укл. Р.І.Байцар. – Львів: Вид-во Націон. ун-ту “Львівська політехніка”, 2002. – 2? с.
Укладач: Байцар Роман Іванович, д.т.н., с.н.с.
Відповідальний за випуск: П.Г.Столярчук, д.т.н., проф.
Рецензент: Р.В.Бичківський, д.т.н., проф.
Навчальне видання
ТЕРМОРЕ3ИСТИВНІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ
НА ОСНОВІ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МІКРОКРИСТАЛІВ
ІНСТРУКЦІЯ
до лабораторної роботи
з курсу “Технологія та конструювання засобів вимірювання”
для студентів базового напрямку 6.0913 –
“Метрологія та вимірювальна техніка”
Укладач: Байцар Роман Іванович
Мета роботи: ознайомитися з принципом побудови, особливостями конструювання та технології виготовлення напівпровідникових вимірювальних перетворювачів механічних та теплових величин з терморезистивними чутливими елементами на основі ниткоподібних кристалів (НК).
1. План роботи
1.1. Ознайомитися з основами технології виготовлення напівпровідникових терморезисторів і їх застосуванням для вимірювання фізичних величин.
1.2. Ознайомитися з технологією та конструюванням терморезистивних перетворювачів температури, швидкості потоку газу, лінійного переміщення і сили ( тиску, прискорення), на базі напівпровідникових НК
1.3. Засвоїти технологічні операції виготовлення деталей та конструкційних елементів процесами, які використовуються в загальному приладобудуванні.
1.4. Засвоїти технологічні операції виготовлення конструкційних елементів процесами, специфічними для напівпровідникового приладобудування.
1.5. Скласти схему технологічного процесу виготовлення, заданого викладачем, напівпровідникового терморезистивного вимірювального перетворювача.
1.6. Експериментально визначити передаточні характеристики перетворювачів і побудувати графічні залежності.
1.7. Оформити звіт.
2. Основні теоретичні відомості
2.1. Терморезистори
Терморезистор це провідник або напівпровідник, увімкнутий в електричне коло який перебуває в теплообміні з оточуючим середовищем. Матеріали, придатні для терморезисторів, повинні задовольняти такі вимоги: високе значення температурного коефіцієнта опору; хімічна стійкість до дії оточуючого середовища; достатня тугоплавкість і міцність; великий питомий електричний опір, що важливо при виготовлені малогабаритних перетворювачів.
Сучасна технологія забезпечує можливість одержання матеріалів в широкому діапазоні величин питомих опорів – в межах кількох порядків, шляхом зміни співвідношення складових компонентів. Це дозволяє виготовляти терморезистори (ТР) малих розмірів в діапазоні номінальних значень опорів, наприклад від сотень Ом до десятків і сотень кОм.
Матеріалом провідникових ТР служать чисті метали (мідь, платина, нікель), оскільки сплави мають нижчий температурний коефіцієнт електричного опору, ніж чисті метали, які входять в склад сплаву. Крім того, залежність опору від температури для чистих металів добре відома, у зв’язку з чим часто прилади з їх використанням допускають стандартне градуювання.
Електролітична мідь допускає нагрів не більше 180 0С. Рівняння перетворення мідних ТР в діапазоні температур від –50 до +180 0С. практично лінійне
Rt = R0 (1 + ( t ) , (1)
де ( - температурний коефіцієнт опору (ТКО), рівний 4,3(10-3 1/ 0С; t – температура; R0 – опір при 0С.
Діапазон вимірювання платиновими ТР значно вищий (платина допускає нагрів до 1200 0С без небезпеки окислення або розплавлення). Рівняння перетворення – нелінійне і в інтервалі температур від нуля до + 660 0С має вигляд
Rt = R0 (1 + А t + В t 2 ) , (2)
де А,В - сталі.
Нелінійність функції перетворення є основним недоліком платинових ТР. Однак висока відтворюваність залежності Rt =((t), хімічна стійкість і пластичність платини, можливість виготовлення дуже тонких ниток (до 1,25 мкм), роблять її в деяких випадках незамінною. Платину не можна використовувати у відновлюваному середовищі (вуглець, пари кремнію, калію, натрію та ін.).
Нікель застосовується до температур 250 – 300 0С. ( ( 5 ( 10 –3 1/ 0С. Електричні властивості нікелю в значній мірі залежать від домішок і термічної обробки. Переваги нікелю: високі питомий електричний опір ( у п’ять разів вищий, ніж у міді) і ТКО, що дозволяє використовувати його в тих випадках, коли ТР повинен мати малі розміри.
Низька межа температури, яка вимірюється за допомогою металічних ТР, обмежена вимогою одержання достатньої точності вимірювання в зв’язку з проблемою вимірювання малих опорів.
У більшості випадків, особливо коли перетворювач повинен мати мінімальні розміри і інерційність, знаходять застосування напівпровідникові ТР. Залежність їх опору від абсолютної температури Т достатньо точно описується виразом
RT ( R0 e([(1/T) – (1/To)] , (3)
де R0 – опір при абсолютній температурі Т0; ( - коефіцієнт, що залежить від типу напівпровідника.
Значення ТКО напівпровідника значно вище і визначається формулою
( = - ( Т / Т0 . (4)
Поряд з високим значенням ТКО ( ( 10 разів у порівнянні з металами) напівпровідникові ТР мають значно більшу величину питомого електричного опору, і як наслідок мінімальні розміри і інерційність. Недоліком є погана відтворюваність залежності Rt =((Т), для одних і тих же типів, що ускладнює їх стандартне градуювання. Однак вони знаходять широке застосування в техніці для вимірювання і контролю температури та інших фізичних величин.
На рис.1 показана конструкція термоперетворювача розробленого в Інституті фізики напівпровідників НАН України. Чутливий елемент (ЧЕ) перетворювача являє собою пластинку легованого германію, до торців якої припаяні дротяні виводи. ЧЕ може бути розміщений в корпусі, конструкція якого визначається умовами експлуатації термоперетворювача. Корпус перетворювача герметизований і заповнений гелієм.
2.2. Основи технології напівпровідникових терморезисторів
Для виготовлення напівпровідникових терморезисторів розробляються способи синтезу спеціальних матеріалів, які характеризуються комплексом необхідних фізико-хімічних властивостей і необхідними електричними параметрами. Широко використовуються окисли перехідних металів. Незалежно від складу вихідного матеріалу, технологія виготовлення ТР повинна забезпечувати можливість масового виробництва термоперетворювачів з високими електричними параметрами, механічними властивостями і стабільністю в часі при максимально простому конструктивному їх вирішенні. Тому технологічний процес розробляється з врахуванням низки вимог:
Можливості серійного виготовлення ТР різноманітних форм – у вигляді стержнів, трубок, дисків, шайб, кораликів, тонких пластин різних розмірів.
Забезпечення відтворюваності зразків, що мають однакові характеристики ( величини опорів і ТКО у ТР одного і того ж номінального значення можуть відрізнятися один від одного лише в межах заданих допусків).
Забезпечення необхідної механічної міцності виробів.
Термічну обробку ТР доцільно проводити в нормальній атмосфері для забезпечення стабільної роботи приладів в повітряному середовищі.
Для забезпечення високої стабільності ТР в часі, крім відповідного підбору вихідних матеріалів, необхідно: проводити штучне старіння, прогріваючи ТР у продовж тривалого часу при максимальних робочих температурах; в окремих випадках покривати його тонким шаром скла або іншого газо-і водо-непроникного матеріалу з близьким температурним коефіцієнтом лінійного розширення (ТКЛР).
Для зменшення рівня шумів ТР і усунення ефекту випрямлення не повинні утворюватися помітні перехідні опори і запорні шари між контактом і напівпровідником. Величина опору не повинна залежати від напрямку струму. Необхідно робити такі контакти, які б спікалися з напівпровідником, мали б приблизно рівний з ним ТКЛР і були б достатньо стійкими в тому газовому середовищі, в якому буде працювати ТР.
Для зменшення е.р.с. шумів ТР, призначених для використання в колах високої частоти, вони повинні виготовлятися з однорідних, однофазних напівпровідників, тобто напівпровідників, що містять кристалічну фазу.
ТР можуть виготовлятися будь-яким методом, який дозволяє надавати напівпровіднику певні розміри і форму. До числа цих методів відносяться:
Плавлення напівпровідника з подальшим виготовленням з нього зразків необхідної форми і розмірів.
Випаровування напівпровідника в вакуумі на підкладку.
Спікання порошкових матеріалів в тверду, компактну масу.
Виготовлення термочутливих елементів методами напівпровідникової мікроелектронної технології.
Для масового виробництва найбільш придатним виявився спосіб, який має багато спільного з прийомами, які використовуються в кераміці або порошковій металургії.
Застосування вихідних матеріалів у вигляді порошків дозволяє змішувати необхідну кількість напівпровідникових окислів Fe3O4 з додатком MgO*Cr2O3, 2ZnO*TiO2 ; Fe2O3 з додатком TiO2, NiO, CoO, Li2O у певних співвідношеннях, змінюючи, таким чином, у широких межах значення питомого опору і ТКО зразків. З порошків можна виготовляти ТР найрізноманітніших форм і розмірів.
ТР виготовляють з дрібнодисперсних порошків, замішаних з відповідною органічною зв’язкою і пластифікатором в пластичну, тістоподібну масу. Ця маса завантажується в екструдер з мундштуком необхідної форми і розмірів. Шляхом витискання одержують довгі стержні або прутки, які після висихання на повітрі нарізаються на заготовки ТР. Із заготовок спочатку випалюють зв’язку, а пізніше відпалюють при високій температурі ( ( 1000 0С і більше) у повітряному, нейтральному або відновлюваному газовому середовищі, в залежності від виду використаних напівпровідникових матеріалів. У процесі відпалу матеріал рекристалізується, його об’єм зменшується на деяку величину внаслідок спікання, а зразки набувають механічної міцності. Контакти створюються шляхом впалювання у торці зразків платини, золота або срібла за допомогою спеціальних паст. Після цього ТР контролюються за номіналом і піддаються спеціальній термічній обробці з метою підвищення стабільності і доведення до необхідних номінальних значень. Циліндричні ТР можуть виготовлятися з діаметром від 20 мкм до 10 мм, довжиною 1-50 мм.
Технологія виготовлення шайбових і дискових ТР аналогічна розглянутій технології з тією лише різницею, що заготовки виготовляються шляхом пресування у пресформах.
Кораликові ТР виготовляються з маси (консистенції густої сметани). Крапельки цієї маси наносяться на дві платинові дротини, натягнуті паралельно одна одній на віддалі, яка в 5-10 разів перевищує діаметр дротини. Поверхневий натяг надає крапелькам кулеподібну форму. Коралики висушують на повітрі після чого відпалюють при температурі 1000-1500 0С, в залежності від використовуваного матеріалу. Внаслідок спікання і осадження матеріалу вони суттєво зменшуються в об’ємі і міцно спікаються з платиною, що забезпечує надійний, стабільний контакт. Після цього окремі коралики відокремлюються один від одного, платинові дротинки з’єднуються з контактними виводами і весь коралик покривається шаром скла, або іншого ізоляційного матеріалу. Діаметр коралика може складати 0,1-2 мм.
ТР у вигляді дуже тонких пластин (10-20 мкм) як і коралики, виготовляються з рідкої маси, яка розливається тонким шаром на гладкій скляній поверхні. Одержану після висушування плівку знімають і розрізають на заготовки ТР, які пізніше відпалюють у печі на гладкій керамічній поверхні. Контакти наносять описаним вище способом.
Конструктивне вирішення деяких типів ТР показане на рис. 2.
Рис. 2. Конструктивні форми терморезисторів: а – сферичні з різним розміщенням виводів;
б – дискові; в – стержневі. .
Конструктивна схема високотемпературного ТР показана на рис. 3. Чутливий елемент виготовлений у вигляді коралика 2 діаметром (1 мм з платиновими електродами 3, які приварюються до більш товстих дротяних виводів 4 з жаростійкого сплаву. Корпусом служить двоканальна керамічна трубка 1 з ультрафарфору. Коралик розміщується в отворі або прорізі торцевої часини трубки. Дротяні виводи закріплено на іншому кінці трубки за допомогою спеціальної високотемпературної глазурі.
Рис. 3. Конструктивна схема високотемпературного терморезистора.
Монокристалічні дендритні ТР виготовляють з германієвої дендритної стрічки, яку одержують з переохолодженого розплаву германію. Дендритні стрічки в основному мають товщину 0,2-0,3 мм і ріжуться на смужки шириною (1 мм і довжиною 5-10 мм.
Перспективним матеріалом для ТР є монокристали кремнію і германію одержані методом газотранспортних реакцій. Описана (див. лаб. роботу № 1) технологія вирощування монокристалів кремнію, германію, антимоніду алюмінію дозволяє одержувати кристали необхідного типу провідності і питомого опору, що досягається шляхом їх легування. Для цього вихідний матеріал завантажується в ампулу з необхідною домішкою, кількість якої змінюється від долів до десятків міліграм, в залежності від того, якого питомого опору мають бути ТР.
Монокристалічні терморезистори одержані кристалізацією з газової фази за допомогою компонента розчинника, мають такі переваги: вони мають більш високу чистоту, ніж вихідний матеріал, різну довжину і діаметр; формуються у вигляді правильних шестикутників, які мають дзеркальну поверхню і не потребують додаткової механічної обробки. Малі габарити НК забезпечують мініатюрне конструктивне виконання перетворювачів, при цьому їх стала часу ( може складати від десятків до долів секунди.
Для монокристалічних ТР дуже важливим є створення надійних контактів. Перспективними способами виготовлення омічних контактів є дугове і імпульсне зварювання. Якість виготовлення омічних контактів визначає працездатність ТР.
До переваг монокристалічних ТР слід віднести також високу температурну чутливість ( від 0,6 до 3 % на градус), стабільність і відтворюваність; допустима температура складає від 300 до 1000 0С ; забезпечення одержання необхідних значень номінального опору; лінійність температурної характеристики; одержання при необхідності додатного, рівного нулю або від’ємного ТКО.
Значний інтерес викликають напівпровідникові плівкові ТР, одним з можливих варіантів яких є конструкція у вигляді монокристалічної основи з нанесеним за інтегральною технологією термочутливим елементом.
Широке застосування для термодавачів знаходить також використання температурних властивостей напівпровідникових приладів з р-п переходами. Як термочутливі елементи можуть використовуватися кремнієві стабілітрони, діоди і транзистори.
2.3. Технічне застосування термочутливих елементів
Сучасний розвиток термометрії спрямовано на пошук нових конструктивних рішень чутливих елементів термоперетворювачів підвищеної точності та надійності. В експлуатації широке застосування знаходять термоперетворювачі для вимірювання температури різних середовищ, температури поверхні різних геометричних форм, нерухомих і рухомих тіл, електропровідних матеріалів і ізоляторів, тіл з різною теплопровідністю.
На базі ТР створено низку надзвичайно чутливих і швидкодіючих перетворювачів для вимірювання швидкості руху газових потоків (термоанемометрів). Розігрітий струмом ТР охолоджується обдуваючим газовим потоком. При сталому струмі розігріву температура ТР є функцією швидкості. Габарити ТР визначаються допустимою інерційністю термоанемометра і технологічними можливостями.
Широке застосування знайшли ТР в теплових перетворювачах для аналізу складу та вимірювання густини газу. Якщо нагрітий електричним струмом ТР помістити в камеру з досліджуваним газом і створити такі умови, щоб конвективні втрати, втрати на випромінювання і тепловий потік через тримачі ТР були мінімальні, то теплова рівновага визначатиметься потоком теплопровідності. Температура ТР при сталому струмі, незмінних геометричних розмірах і сталій температурі газу визначається складом газу і його густиною. Прилади, що базуються на цьому принципі називають газоаналізаторами і вакуумметрами.
2.3.1. Застосування терморезисторів для вимірювання механічних переміщень
Залежність температури ТР від механічного переміщення можна реалізувати двома способами.
Перший спосіб полягає в нагріві терморезистора за допомогою спеціального нагрівача, положення якого відносно ТР залежить від вимірюваного переміщення. Нагрів ТР власним струмом в цьому випадку повинен бути мінімальним.
Другий спосіб полягає у зміні степені охолодження терморезистора, що нагрівається током за допомогою екрану, положення якого відносно ТР залежить від вимірюваного переміщення.
В обох випадках при зміні положення рухомого елемента (нагрівача, екрану) вихідною величиною перетворювача є зміна опору.
Принципова схема перетворювача з підігрівним ТР показана на рис. 4а. Терморезистор RТ у вигляді спіралі підігрівається нагрівачем 1, що живиться струмом І від додаткового джерела напруги U. В залежності від переміщення Х і положення нагрівача всередині спіралі буде нагріватися більша або менша її частина, що призведе до зміни опору. ТР увімкнений в одне із плеч моста і при нагріванні виводить його з стану рівноваги.
На рис.4б показано принцип будови диференційного перетворювача, в якому змінюється степінь охолодження нагрітих струмом ТР. Умови охолодження терморезисторів залежать від положення теплоізоляційного екрану 1, який зв’язаний з вимірюваною величиною Х. Екран погіршує умови охолодження закритих ним частин ТР, і їх температура зростає. При переміщені екрану з середнього положення один з опорів зростає, а інший знижується.
Превагами розглянутих перетворювачів є відсутність тертя між рухомими і нерухомими частинами, відсутність сил зворотної дії на нагрівач, можливість живлення нагрівача і ТР, які є активними опорами, як постійним так і змінним струмом. Перетворювачі здатні розсіювати значну потужність.
Основні недоліки таких перетворювачів – їх інерційність і значна залежність чутливості від параметрів оточуючого середовища.
Рис.4. Принципова схема перетворювача з підігрівним терморезистором (а) і
диференційного перетворювача (б).
3. Завдання і практичні вказівки
3.1. Ознайомлення з особливостями конструювання та технології виготовлення терморезистивних вимірювальних перетворювачів з НК
3.1.1. Мініатюрні термоперетворювачі
Перетворювачі призначені для локального вимірювання температури у важкодоступних місцях різноманітних пристроїв. Чутливими елементами є ТР з НК кремнію-германію діаметром 25 мкм і довжиною (1 мм з омічними контактними струмовідводами з золотого мікродроту.
В одній з конструкцій (рис.5) ЧЕ розміщається в потоншеній торцевій частині корпусу (частіше виготовленій з матеріалу підвищеної теплопровідності) і знаходиться з нею у надійному тепловому контакті. Температура середовища сприймається торцевою частиною корпуса і через тонкий шар теплопровідної пасти КПТ-8 передається ТР, опір якого в кожний момент пропорційний діючому значенню температури. Зміна цього опору визначається за допомогою мостової вимірювальної схеми.
Рис. 5. Схема конструкції (а) і зовнішній вигляд (б) мініатюрних
термоперетворювачів: 1 – металевий корпус; 2 – потоншена торцева
частина; 3 – термочутливий елемент (НК); 4 – теплопровідна паста; 5
– контактні мікровідводи кристала; 6 – жорсткі виводи; 7 – герметик.
При конструюванні термоперетворювача оцінюється мінімальна товщина торцевої стінки і міцність різьбової частини корпусу на зріз під дією заданого тиску середовища. При цьому враховуються такі умови:
. 2. (5)
де р – діючий тиск; d - діаметр торцевої частини; x – товщина торцевої частини корпуса; ( - межа міцності матеріалу при розтягу (для сплаву Л62 ( = =3,4(108 Н/м2); dк – діаметр різьбової частини корпуса; l – довжина корпуса (l = рdк/4() ; ( - допустиме дотичне напруження ( для мідного сплаву ( = 50(106 Н/м2).
При виборі ЧЕ досліджуються термометричні параметри (номінал опору, ТКО і нелінійність характеристики) кристалів твердого розчину (сплаву) Si-Ge, легованих фосфором і бором. Необмежена взаємна розчинність Si і Ge забезпечує сплаву неперервність зміни електричних властивостей, стійкість до теплової і радіаційної дії. Змінюючи відсоткове співвідношення матеріалів вдається керувати рухливістю носіїв, яка визначається, головним чином, механізмом розсіяння, змінювати залежність опору від температури.
Результати чисельних розрахунків дозволяють виділити оптимальний тип і концентрацію легуючої домішки, склад твердого розчину для забезпечення мінімальної нелінійності характеристики при достатньо високих значеннях інших метрологічних параметрів. Лінійна температурна залежність опору характерна для твердого розчину з вмістом Si 60-80 %, легованого фосфором до концентрацій 1015 - 1016 см-3 (рис.6). Зменшення концентрації фосфору призводить до значного зростання опору кристала, що є небажаним. Збільшення концентрації фосфору знижує ТКО (тобто чутливість) перетворювача і збільшує нелінійність його характеристики.
Рис.6. Термометричні характеристики твердого розчину Si0,7 Ge0,3, легованого
фосфором: а) ТКО; б) нелінійність характеристики. Концентрація фосфору
(см-3): 1 – 5,6 1015; 2 – 1016; 3 – 1,8 1016; 4 – 3,2 1016; 5 – 5,6 1016; 6 – 1017.
У порівнянні з напівпровідниковими термоперетворювачами інших типів, які працюють в інтервалі температур від –50 до +50 і від +20 до +120 0С, перетворювачі на НК мають такі переваги: малі розміри і масу (довжина 4 мм, діаметр 2-2,5 мм, маса (0,5 г); низьку теплову інерційність ( 0,1-0,3 с); високу чутливість (по вихідному сигналу мостової схеми 500 мкВ/град.); лінійну статичну характеристику (нелінійність не перевищує 2 %); достатню величину опору ТР ((1 кОм) при кімнатній температурі, зручну для узгодження перетворювача з вторинною апаратурою. Дозволяють швидко проводити вимірювання температур в складних умовах експлуатації (великі тиски, значні перевантаження і вібрації, агресивні середовища).
3.1.2. Перетворювачі швидкості газового потоку (термоанемометри)
Не менш перспективним є застосування НК Si–Ge для вимірювання швидкості газового потоку (витрати). Розроблено термомодульний анемометричний перетворювач, який має в порівнянні з існуючими приладами, більш високу чутливість і підвищену механічну міцність, що забезпечує його працездатність в запорошених газових потоках в широкому діапазоні швидкостей.
Перетворювач містить два НК, які мають рівні початкові опори і рівні, але протилежні за знаком ТКО і працюють у суміжних плечах мостової схеми.
На рис.7 показана конструкція і загальний вигляд перетворювача швидкості потоку, який містить металевий корпус 1, в якому закріплений керамічний кристалотримач 2, всередині якого розміщені струмовідводи 4. Кристали 3 знаходяться в коралику 5 з теплопровідної пасти, яку для підвищення механічної стійкості покривають тонким шаром 6 епоксидного компаунда з алундовим наповнювачем. Діаметр коралика не перевищує 1,5 – 2 мм.
Рис. 7. Конструкція і загальний вигляд терморезистивного перетворювача
швидкості потоку.
При розігріві кристалів робочим струмом на поверхні коралика встановлюється деяка початкова температура Тп, яка зменшується при обдуванні. Якщо на початку обдування міст збалансований, то при обдуванні внаслідок зміни температури, а значить, і опору кристалів з’являється напруга розбалансу
(6)
де U0 – напруга живлення; (Rп – значення (R, яке відповідає температурі поверхні Тп .
Якщо залежність R(Т) лінійна, то
, (7)
де ( - абсолютне значення ТКО кристалів.
При сталій напрузі живлення потужність, яка виділяється в коралику є сталою при будь-якій температурі. Залежність температури перетворювача від швидкості потоку при цьому визначається формулою
(8)
де То – температура оточуючого середовища; С – коефіцієнт, зумовлений значенням потужності, що виділяється, геометрією коралика і параметрами обдуваючого потоку. Підставляючи вираз (8) в (7), одержуємо функцію перетворення в явному вигляді:
, (9)
Вираз (9) добре узгоджується з експериментальними результатами
Чутливість перетворювача
(10)
зменшується зі зростанням швидкості потоку.
3.1.3. Терморезистивний перетворювач лінійних переміщень
Застосування напівпровідникових терморезисторів з НК як чутливих елементів відкриває широкі можливості у створенні перетворювачів лінійних переміщень та інших механічних величин (зокрема сили, тиску, прискорення), які можуть бути приведені до переміщення.
Особливістю застосування НК є те, що використовуючи кристали з практично будь-якою залежністю опору від температури (лінійною, експоненціальною, степеневою) вдається розширити функціональні можливості вимірювальних перетворювачів. Значна величина ТКО забезпечує їх високу чутливість. Коаксіальне розміщення чутливого елемента всередині нагрівача забезпечує найкращі умови теплопередачі та встановлення теплової рівноваги без спотворення температурного поля нагрівача, що додатково знижує інерційність перетворювачів.
На рис.8а показані схема та елементи конструкції перетворювача лінійних переміщень і сил, який містить роз’ємний корпус з закріпленими в ньому пружним елементом (сильфоном) 2 і мініатюрним нагрівачем 4. З сильфоном жорстко з’єднані вимірювальний стержень 1 і кристалотримач з НК 3. У верхній частині корпуса розміщена вихідна панель для під’єднання електричних виводів кристала і нагрівача.
Якщо на вимірювальний стержень діє переміщення (або сила), сильфон деформується що призводить до переміщення кристалотримача з чутливим елементом і зміни його положення відносно нагрівача. Така зміна переміщення викликає пропорційну зміну опору кристала.
а
Рис. 8. Принципова схема терморезистивного перетворювача лінійних переміщень і сил (а) і
загальний вигляд елементів його конструкції (б): 1- корпус з розміщеним у ньому
пружним елементом; 2 – нагрівальний вузол; 3 – кристалотримач.
Фізичну модель терморезистивного перетворювача можна подати у вигляді послідовної низки функціональних елементів:
Пружного елемента, який сприймає вимірювану величину і перетворює її в лінійне переміщення.
Циліндричного нагрівача, який створює неоднорідний розподіл температури вздовж осі.
Термочутливого елемента (НК), який змінює свій опір в залежності від температури створеної нагрівачем.
Мостової вимірювальної схеми з одним або двома активними плечами (рис.9).
Рис. 9. Робота терморезистивного перетворювача у вимірювальній схемі.
Функція перетворення такого пристрою має вигляд
, (11)
де U0 – напруга живлення схеми (кристала); ( - ТКО кристала; К – коефіцієнт, який характеризує градієнт температури нагрівача; F – осьове зусилля; ( -коефіцієнт Пуассона; Е – молуль пружності матеріалу сильфона; n – число гофр; (с – кут обтискання сильфона; h0 –товщина стінки; Rв – внутрішній радіус сильфона; А0, А1, А2 і В0 – коефіцієнти, які залежать від розмірів сильфона і визначаються за номограмами.
Функціональні схеми і загальний вигляд конструкцій терморезистивних перетворювачів тиску та прискорення показано на рис. 10.
а
б
Рис. 10. Схеми конструкцій (а) і загальний вигляд (б) терморезистивних
перетворювачів тиску та прискорення.
Розглянуті терморезистивні вимірювальні перетворювачі можна вважати напівпровідниковими аналогами перетворювачів у вигляді електронних ламп з механічно керованими електродами – механотронів і манотронів, значно складніших за конструкцією і технологією виготовлення (рис.11).
а б
Рис. 11. Конструкції механотронних перетворювачів: а) переміщень і сил (з одним і двома
рухомими анодами); б) перетворювач тиску (манотрон); 1 – оксидний катод;
2 – аноди; 3 – мембрани (сильфон); 4 – вимірювальні стержні (патрубок);
5 – контактні пружинки.
3.2. Ознайомлення з виготовленням деталей та конструктивних елементів перетворювачів процесами, які використовуються в загальному приладобудуванні
3.2.1. Механічна обробка
Виготовлення перетворювачів пов’язано з застосуванням таких способів обробки деталей як виточення, нарізання зовнішньої та внутрішньої різьб, фрезерування, свердління, шліфування. Виготовлення корпусних металевих деталей на станках вимагає високої точності і чистоти обробки поверхні.
При виготовленні мініатюрних тонкостінних деталей корпусів перетворювачів температури і термоанемометрів свердління внутрішніх отворів виконувалося до кінцевої обробки їх зовнішніх поверхонь. Це робилося для того, щоб запобігти збільшенню зовнішнього діаметра деталі.
Свердління отворів малого діаметра, вісь яких повинна точно співпадати з віссю деталі, виконувалося з попереднім зацентруванням. Для забезпечення кращої співвісності спочатку висвердлювалися отвори меншого діаметра, а пізніше більшого. Для забезпечення вищої точності осьового розміщення отвору малого діаметра, свердління проводилося з максимальною швидкістю різання при найменшій подачі.
Висока точність чистоти обробки деталей забезпечується попередньою грубою обробкою поверхонь (виконуються чорнові переходи), а пізніше чистовою.
Фрезерування деталей проводилося при зніманні мінімальної товщини шару (глибині фрезерування) і малій подачі деталі (її переміщення відносно фрези). Зручним є фрезерування одночасно кількох деталей розміщених послідовно одна відносно одної, які переміщуються назустріч обертанню фрези.
При шліфуванні з деталей знімався тонкий шар металу за допомогою дрібнозернистого шліфувального круга. Забезпечувалися точні розміри і чиста поверхні (класу 7) Застосовувалося зовнішнє, внутрішнє і плоске шліфування деталей. Для мініатюрних деталей, деталей, які легко деформуються, і деталей у яких необхідно одержати строгу площину використовувалося шліфування дисками. Шліфуючий диск насичувався пастою або дрібноабразивним порошком, притискався до деталі і, обертаючись, забезпечував якісне шліфування.
3.2.2. Холодне штампування
Холодне штампування – один з видів оброблення металів без зняття стружки. Цей спосіб обробки має ряд переваг: простота технологічного процесу; висока продуктивність; висока точність і ідентичність виготовлення деталей; раціональне використання матеріалів; широкі можливості автоматизації технологічних процесів.
Холодне штампування є одним з найбільш економічних способів виготовлення взаємозамінних деталей. В залежності від виду деформації, що характеризує ту чи іншу операцію штампування, розрізняють: різання, згинання, витягування, формування, пресування (об’ємне штампування).
Найпростіший штамп містить матрицю, з отвором, контур якого відповідає конфігурації деталі. Верхня площина матриці і бокові стінки отвору утворюють ріжуче лезо вздовж усього контуру отвору. Матриця закріплюється на столі пресу нерухомо. В матрицю входить пуансон, який закріпляється в рухомій частині пресу і має в перерізі форму, яка відповідає конфігурації деталі ( розміри його контуру дещо менші ніж розміри отвору матриці). При опусканні повзуна пресу пуансон входить в матрицю на деяку глибину і вирубує з матеріалу деталь. Після цього матеріал переміщується на певну віддаль, що відповідає “кроку” штампування, для продовження процесу. Зусилля необхідне для штампування визначається за формулою
Р = F (зр , (12)
де F – площа зрізу, рівна добутку периметра вирубуваної деталі на товщину матеріалу; (зр - опір матеріалу на зрізування.
Для штампування деталей високої якості між пуансоном і матрицею повинен бути проміжок, який встановлюється залежно від механічних властивостей матеріалів і визначається за формулою
a = 0,01 k s , (13)
де s – товщина матеріалу; k – коефіцієнт, який враховує властивості матеріалу.
3.2.3. Поверхневі покриття
Поверхневі покриття служать для захисту деталей від шкідливого впливу вологи, повітря, забрудненого парами кислот (лугів) і агресивними газами, для надання деталям привабливого зовнішнього вигляду, а також надання поверхневому шару спеціальних властивостей (підвищеної твердості, електричної провідності, електроізоляційної або відбивної здатності).
Покриття можуть бути металічні, хімічні і лакофарбові.
Металічні гальванічні покриття: нікелювання, цинкування, кадміювання, хромування, покриття оловом, міддю, сріблом, золотом. Захисна здатність і термін служби металопокриття залежать від умов оточуючого середовища, виду і товщини покриття.
Покриття розділяють на анодні і катодні. Анодним - вважається тоді коли електродний потенціал металу покриття більш від’ємний, ніж електричний потенціал основного металу. При зворотному співвідношенні покриття є катодним.
Анодні покриття більш надійно захищають метал від корозії, оскільки при утворенні місцевої гальванічної пари руйнується тільки метал покриття. Катодні покриття захищають метал тільки від механічної дії.
Нікелювання застосовують для захисту деталей з міді і мідних сплавів від корозії і як декоративне покриття. При нікелюванню сталі нікель наносять на підшар міді (сталь + мідь + нікель).
Цинкування найбільш придатний вид покриття для стальних деталей. Застосовується воно також для покриття мідних латунних і бронзових деталей, які знаходяться в контакті з деталями з алюмінію і алюмінієвих і магнієвих сплавів.
Кадміювання застосовують головним чином для захисту від корозії деталей зі сталі, кольорових металів і їх сплавів, що експлуатуються у морських умовах.
Хромування служить захистом деталей зі сталі, міді, мідних сплавів від корозії, а також для надання поверхні відбивної здатності, зносостійкості, термостійкості і твердості.
Покриття: оловом застосовують для захисту деталей зі сталі, міді і мідних сплавів від корозії (і як захист від парів сірки), а також для підготовки поверхні до паяння; міддю – як підшар під нікель, хром, кадмій, а іноді під золото і срібло; сріблом – для покриття електричних контактів з метою їх захисту, підвищення електропровідності, забезпечення якісного паяння, надання відбивної здатності; золотом – для забезпечення найкращого декоративного покриття, а також для покриття електричних контактів.
Хімічні покриття являють собою тонкий, щільний шар окислу металу самої деталі, який утворюється під дією тих чи інших реагентів. Основними хімічними покриттями є: анодування (електрохімічне оксидування), оксидування і фосфатування. Анодують деталі з алюмінію і алюмінієвих сплавів для захисту їх від корозії. При цьому поверхня покриття має великий питомий електричний опір. Оксидують стальні деталі, коли інші види покриттів недопустимі. Для надання оксидованим деталям кращих антикорозійних властивостей їх додатково захищають мастилом. Оксидування ведеться в лужному розчині. Оксидована в мідноаміачному розчині латунь має темно-синій або коричневого колір. Фосфатування найбільш поширений хімічний спосіб покриття стальних деталей ізоляційною плівкою, який забезпечується дією на них солей ортофосфорної кислоти.
Лакофарбові покриття застосовуються для деталей з грубими допусками, які не працюють при значних механічних навантаженнях і нагріві вище 200 0С. Застосовуються масляні фарби, нітроемалі та лаки. Для підвищення антикорозійної стійкості деталі перед фарбуванням покриваються спеціальними грунтами, які мають високі захисні властивості і добру адгезію з металом. Лакофарбові покриття наносяться за допомогою пензля, зануренням у фарбу, розпорошенням з використанням пульверизатора і накатуванням. Найкращі результати дає покриття одержане шляхом пульверизації. Цей найбільш продуктивний спосіб, дозволяє використовувати всі види фарб і забезпечує високу якість покриття. Лаки та фарби можуть наноситися в один або два шари. Деталі, покриті масляними фарбами, висушують при температурі 100-150 0С у продовж 2-6 годин, а пофарбовані нітроемалями і лаками – при кімнатній температурі у продовж 30-60 хвилин. Висушування (термообробка) ведеться відповідно до інструкцій до кожного сорту фарби та емалі.
3.3. Ознайомлення з виготовленням конструктивних елементів перетворювачів процесами специфічними для напівпровідникового приладобудування
3.3.1. Виготовлення напівпровідникових чутливих елементів
Технологія виготовлення напівпровідникових ТР складається з двох основних стадій: перша – одержання чутливого елементу у вигляді НК; друга – створення омічних контактів до ЧЕ.
Технологічна схема процесу вирощування НК включає низку операцій, які виконуються у такій послідовності:
№
за/п
Зміст роботи
Обладнання, технологічне устаткування, матеріали
1
2
3
1
Підготовка кварцової труби, промивання внутрішньої поверхні (стінки) труби протягом 5 хв.
Витяжна шафа, дистильована (деіонізована) вода. Труба кварцова. Рукавиці з трикотажної тканини.
2
Просушування труби стиснутим повітрям
Компресор
Виготовлення ампул за ескізом
Газовий (пропан, кисень) пальник. Захисні окуляри, рукавиці
4
Термічна обробка ампули при температурі 1000 оС протягом 1,5 год.
Електропіч марки СУОЛ
5
Приготування наважок вихідного кремнію, легуючої домішки, переносника
Рукавиці хірургічно-гігієнічні , пінцет
6
Зважування подрібненого кремнію, германію
Аналітична вага, калька паперова, пінцет, кремній, германій, лігатура
7
Зважування ангідриду бору
“
8
Зважування легуючих домішок
“
9
Завантажування наважок в ампулу
“
10
Виготовлення капілярів
Кварц, газовий пальник, захисні окуляри, рукавиці
11
Завантажування капілярів та їх зважування
Бром, аналітична вага, рідкий азот
12
Завантажування капілярів з бромом в ампулу
Бром, аналітична вага, рідкий азот
13
Приєднання завантаженої ампули до вакуумної системи і її вакуумування до 10-3 Па протягом 4-х годин
Форвакуумний і дифузійний насоси, вакууметр
14
Запаювання вакуумованої ампули
Газовий паяльник, захисні окуляри, рукавиці
15
Механічне розбивання капілярів з бромом в ампулі
16
Нагрів ампули до температури 1100 оС
Електропіч СУОЛ
17
Розміщення ампули в печі з заданим температурним профілем: кінець ампули, в якій знаходяться наважки, розміщується в зоні температури ~1100оС, а вільний кінець – в зоні ~900оС
Контрольна термопара
18
Витримка ампули в печі протягом ~6 год.
Годинник
19
Виймання ампули з печі та її охолодження
Підставка із азбесту. Щипц...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора