bsuir.info
БГУИР: Дистанционное и заочное обучение
(файловый архив)
Вход (быстрый)
Регистрация
Категории каталога
Другое [53]
Форма входа
Логин:
Пароль:
Поиск
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Файловый архив
Файлы » ТОБ / ЭСБ » Другое

ЭСБ (з.), ДэСБ, Контрольная работа №1, вар.21, 2015
Подробности о скачивании 09.01.2016, 19:41
1) Датчики электронных систем безопасности;
2) ЭСБ;
3) заочная ИИТ
4) контрольная работа
5) год выполнения работы 2015;
6) вариант 21 Пироэлектрический эффект, пироэлементы и Поверхностные технологии получения тонкопленочных и толстопленочных элементов датчиков.
Препод - Серенков

Пироэлектрический эффект, пироэлементы.

Пироэлектрический эффект - появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (пироэлектриков) при их нагревании или охлаждении ("пир" - огонь). Один конец пироэлектрика при нагревании заряжается положительно, а при охлаждении - отрицательно, другой - наоборот. Интенсивность электризации максимальна, если скорость изменения температуры выше скорости релаксации заряда. Появление зарядов на поверхности пироэлектрика связано с изменением существующей в нем поляризации при изменении температуры кристалла.
Подобно пьезоэлектрикам пироэлектрики используются в виде тонких пленок, с противоположных сторон которых нанесены электроды для сбора индуцированных теплом зарядов (рис. 1). Пироэлектрический детектор можно представить в виде конденсатора, электрически заряжающегося от по¬тока тепла. Такой датчик, не нуждается ни в каких внешних сигналах возбуж¬дения, ему только требуется соответствующая интерфейсная электронная схе¬ма для измерения заряда. В отличие от термопар (термоэлектрических уст¬ройств), на выходе которых появляется постоянное напряжение, когда два спая различных металлов находятся при стационарной, но разной температуре в пироэлектриках формируется заряд в ответ на изменение темпе¬ратуры. Поскольку изменение температуры происходит при перемещении теп¬ловых волн, пироэлектрические устройства являются детекторами потока теп¬ла. Их иногда называют динамическими датчиками, что соответствует их фи¬зической природе. Когда пироэлектрический кристалл подвергается воздей¬ствию потока тепла (например, от источника ИК излучения), его температура повышается, и он также становится источником тепла. Поэтому с противопо¬ложной стороны кристалла возникает отток тепла.
Считается, что кристалл обладает пироэлектрическими свойствами, если при изменении температуры в нем появляется спонтанная поляризация 21 из 32 типов кристаллов не обладают симметрией относительно центра, и толь¬ко 10 из них проявляют пироэлектрические свойства. В дополнение к пиро¬электрическим свойствам все эти кристаллы в той или иной степени являют¬ся пьезоэлектриками, т.е. в них появляются заряды в ответ на механическое напряжение.
Пироэлектричество было открыто в кристаллах турмалина еще в 18 веке (хотя есть сведения, что греки заметили этот эффект на 23 века раньше). Поз¬же, в 19 веке, для изготовления пироэлектрических датчиков использовались кристаллы сегнетовой соли. После 1915 года в качестве пироэлектриков стали применяться следующие мате¬риалы: KDP (KH2P04), ADP (NH4n2P04), ВаТ, и компози¬ции PbZr03 и PbTiOv известные как PZT. В настоящее время из¬вестно более 1000 материалов, обладающих свойством обрати¬мой поляризации. Они называ¬ются ферроэлектрическими кристаллами. Самыми интерес¬ными из них считаются триглицин сульфат (TGS) и танталат лития (LiTa03).
Выходящий тепловой поток

Рис. 1. Пироэлектрический датчик имеет два электрода, расположенных на противоположных сторонах кристалла.
Тепло поступает снизу вдоль оси 3 и оттекает

В 1969 году ученый Каваи обнаружил, что некоторые пластмассы, например, поливинил фторид (PVF) и поливинилидин фто¬рид (PVDF) [20], обладают сильными пьезоэлектрическими свойствами. Так¬же оказалось, что эти материалы также являются и пироэлектриками.
Любой пироэлектрик можно представить в виде композиции большого числа кристаллитов, каждый из которых ведет себя как маленький электри-ческий диполь. Все эти диполи имеют произвольную ориентацию. При температуре, превышающей точку Кюри, у кристаллитов нет дипольного момента. Изготовление пироэлектриков аналогично производству пьезоэлектриков
Существует несколько механизмов, объясняющих, почему изменение тем¬пературы приводит к возникновению пироэлектричества. Изменение темпе¬ратуры может привести к удлинению или укорачиванию отдельных диполей. На ориентацию диполей может повлиять их возбуждение от повышения тем¬пературы. Эти явления получили название первичного пироэлектричества. Су¬ществует также вторичное пироэлектричество, которое в упрощенном виде можно считать следствием пьезоэлектрического эффекта (например, возник¬новение напряжения в материале из-за теплового расширения). На рис. 1 показан пироэлектрический датчик, имеющий одинаковую температуру Г() в любой точке объема. Будучи электрически поляризованными, диполи ориен-тированы так, что одна сторона материала становится положительно заряжен¬ной, а вторая — отрицательной. Однако в стационарных условиях свободные носители зарядов (электроны и дырки) нейтрализуют заряды, возникшие вслед¬ствие поляризации, и конденсатор, образованный электродами и пироэлектриком, разряжается, что приводит к появлению нулевого заряда на выходе датчика. Тепло на сенсор может поступать в виде теплового излуче¬ния, которое поглощается нижним электродом и распространяется по пироэлектрику, используя механизм теплопроводности. Нижний электрод иногда покрывают теплопоглощающим слоем из черненого золота или органическо¬го красителя. В результате поглощения тепла нижняя часть сенсора нагревает¬ся (его новая температура становится равной 7*,), что приводит к его расшире-нию, что, в свою очередь, вызывает изгиб датчика. Появившаяся деформация означает возникновение механического напряжения и, следовательно, изме¬нение ориентации диполей. Поскольку материал сенсора также обладает и пье¬зоэлектрическими свойствами, его напряженное состояние приводит к появ¬лению на электродах противоположных по знаку зарядов. Отсюда видно, что вторичный пироэлектрический эффект можно описать следующей последо-вательностью событии: тепловое излучение —> поглощение тепла —» механи¬ческое напряжение, индуцированное теплом —> электрический заряд.
Дипольный момент М объемного пироэлектрического датчика можно найти по выражению:
M = μAh, 1
где μ— дипольный момент на единицу объема, А — площадь датчика, h — его тол¬щина. Заряд Q, собранный на электродах, приводит к появлению в материале следующего дипольного момента:

М0 = Qah. 2
М должен быть равен М0, поэтому
Qa = μAh. 3
Поскольку температура меняется, дипольный момент тоже не остается постоян¬ным, что и приводит к индуцированию заряда.
Количество поглощенного тепла можно выразить через изменение диполь¬ного момента, при этом р зависит как от температуры Г, так и от приращения тепловой энергии AW, поглощенной материалом:
∆Qa = Aμ(Ta,∆W)
На рис. 2 показан пироэлектрический детектор, подсоединенный к резистору Rb, отображающему либо внутреннее сопротивление утечки, либо входное сопро¬тивление интерфейсной схемы, подключенной к выходу датчика. В правой части рисунка показана эквивалентная электрическая схема такого сенсора. Она состо¬ит из следующих трех компонентов: (1) источника тока , приводящего к появле¬нию тепла (необходимо помнить, что ток — это движение электрических заря¬дов), (2) емкости детектора Си (3) сопротивления утечки Rb

Рис.2. Пироэлектрический детектор и его эквивалентная схема
Выходным сигналом пироэлектрического детектора в зависимости от конк¬ретного применения может быть либо заряд (ток), либо напряжение. Поскольку пироэлектрический датчик является конденсатором, он будет разряжаться через сопротивление Rb. Величина электрического тока через этот резистор и напряже¬ние на нем соответствуют заряду, индуцированному тепловым потоком. Пиро¬электрический эффект характеризуется двумя коэффициентами.

P_Q=(dP_s)/dT пироэлектрический коэффициент по заряду
4
P_V=dE/dT пироэлектрический коэффициент по напряжению
где P_S-спонтанная поляризация (электрический заряд), E- напряженность электрического поля, а Т- температура в Кельвинах. Отношение двух коэффициентов можно выразить через диэлектрическую проницаемость ε_(r ) и электрическую постоянную ε_0.

〖 P〗_Q/P_V =〖dP〗_S/dE=ε_r ε_0 5

Поляризация зависит от температуры, и поэтому оба пироэлектрических коэф¬фициента являются функциями температуры.
При воздействии источника тепла на пироэлектрик, его температура повы¬шается на ∆T, при этом происходят соответствующие изменения заряда и напря¬жения:
∆Q=P_Q A∆T 6
∆V=P_V h∆T 7
Если ёмкость датчика выразить виде:

C_e=∆Q/∆V=ε_r ε_0 A/h 8

Из уравнений 6-8 можно вывести следующие соотношение:

∆V=P_Q A/C_e ∆T=P_Q (ε_r ε_0)/h ∆T 9

Отсюда видно, что выходное напряжение датчика пропорционально росту темпе¬ратуры и пироэлектрическому коэффициенту по заряду и обратно пропорцио¬нально его толщине.
Когда пироэлектрический чувствительный элемент подвергается воздействию перепада температур, его поляризация (индуцируемыи электрический заряд внут¬ри кристалла) также меняется с температурой. На рис. 3 показана типовая за¬висимость поляризации от температу¬ры. Пироэлектрический коэффициент по напряжению P_V соответствует накло-ну кривой поляризации. Приближаясь к точке Кюри, этот коэффициент рез¬ко возрастает, что объясняется исчезно¬вением поляризации и потерей пиро¬электрических свойств в этом темпера¬турном диапазоне. Предполагается, что нелинейность кривой поляризации объясняется увеличением чувствитель¬ности датчика с ростом температуры.

Рис. 3. Поляризация пироэлектрическо¬го кристалла. Датчик должен работать и хра¬ниться при температурах, значительно меньших точки Кюри

При выборе пироэлектрического материала необходимо учитывать эффек¬тивность преобразования тепловой энергии в электрическую, которую можно оце¬нить по пироэлектрическому коэффициенту связи k_r^2 (k_r является анало¬гом пьезоэлектрического коэффициента связи к). Этот коэффициент показывает во сколько раз пироэлектрическая эффективность ниже предельного значения Карно ∆T/T_aВ Приложении приведены численные значения k_r^2.
Из соответствующей таблицы Приложения видно, что кристаллы триглицин сульфата (TGS) являются самыми эффективными пироэлектрическими преоб¬разователями. Но до недавнего времени из-за низкой температуры Кюри они редко применялись на практике. Поскольку если температура датчика превышает этот уровень, он теряет свои поляризационные свойства. К тому же оказалось, что TGS датчики обладают довольно низкой стабильностью даже при температурах ниже точки Кюри. Однако было обнаружено, что при легировании TGS кристал¬лов L-аланином (Philips запатентовал название LATGS) в процессе выращивания не только повышается их стабильность, но и несколько увеличивается темпера¬тура Кюри, которая после этого становится равной 60°С, и, значит, верхний пре-дел рабочих температур возрастает до уровня 55°С, достаточного для многих прак¬тических применений.
Для производства пироэлектрических датчиков используются и другие мате¬риалы, например, танталат лития и пироэлектрические керамики. Довольно по¬пулярным стало применение полимерных пленок. В течение последних лет ин¬тенсивно разрабатывались технологии нанесения тонких пироэлектрических пле¬нок. Особенно перспективным считается применение титаната свинца (PbTi03), который относится к классу ферроэлектрических керамических материалов и об¬ладает высокими пироэлектрическим коэффициентом и температурой Кюри (око¬ло 490°С). Его основное достоинство — простота нанесения на кремниевые под¬ложки золь-гелевым методом напыления.
На рис. 4 показаны временные диаграммы, построенные для пироэлект-рическою датчика при подаче на его вход ступенчатой тепловой функции. Из ди¬аграмм видно, что электрический заряд достигает своего пикового значения прак¬тически мгновенно, а затем начинает уменьшаться с тепловой постоянной времени τ_r Это можно объяснить следующим образом: при нагреве поляризация первона¬чально происходит в самых поверхностных слоях кристаллического материала толщиной в нескольких атомов, температура которых мгновенно повышается до максимального значения. При этом в материалах возникает высокий градиент температур, вызывающий максимальную поляризацию. После чего происходит распространение тепла по всему пироэлектрику, часть которого поглощается его массой пропорционально значению теплоемкости С, а другая часть отдается в окружающую среду через тепловое сопротивление R. Все это приводит к умень¬шению первоначального заряда. Тепловая постоянная времени определяется про¬изведением теплоемкости датчика на его тепловое сопротивление:

τ_T=CR=cAhR 10

где C — удельная теплоемкость чувствительного элемента. Тепловое сопротивление R является функцией всех тепловых потерь в окружающую среду через конвекцию, теплопроводность и тепло¬вое излучение. В низкочастотных устрой¬ствах желательно использовать датчики с большой тепловой постоянной време¬ни, тогда как в быстродействующих сис¬темах (например, в измерителях лазерных импульсов) τ_rдолжно быть значительно ниже. Для уменьшения τ_rпироэлектрики иногда покрывают теплоотводами (кусочками алюминия или меди).
Предполагается, что на пироэлект¬рический датчик воздействует источ¬ник тепла, обладающий очень высокой теплоемкостью, поэтому его собствен-ной теплоемкостью можно пренебречь. Тогда температура среды Ть во время проведения измерений считается посто¬янной, в то время как температура дат¬чика является функцией времени и оп¬ределяется плотностью, удельной теп¬лоемкостью и толщиной детектора. Если входной тепловой поток имеет форму ступенчатой функции, а датчик работа¬ет в воздушной среде, для выходного тока можно записать следующее аппроксимационное выражение:

i=i_0 e^(-t/τ_T ) 11

Рис. 4. Реакция пироэлектрического чув¬ствительного элемента на тепловую ступенча¬тую функцию Значения заряда Q0 напряже¬ния V_0 для ясности несколько увеличены
где i_0 - пиковое значение тока.
На рис. 4 показано, что заряд Q и напряжение никогда не снижаются до нуля. Рассмотрим почему так происходит: пироэлектрик получает тепловую энер¬гию со стороны датчика а (рис. 1) за счет которой увеличивается температура материала. Рост температуры приводит к скачку заряда в датчике, уменьшающе¬гося с постоянной времени τ_TОднако датчик имеет еще одну сторону — b, кон¬тактирующую с более холодной средой, через которую происходит потеря тепло¬вой энергии, т.е. охлаждение датчика. Поскольку стороны a и b чувствительного элемента подвергаются воздействию разной температуры, через пироэлектрик по¬стоянно проходит тепловой поток. Электрический ток на выходе пироэлектри¬ческого датчика всегда повторяет форму теплового потока, проходящего через него. Проводя точные измерения, можно убедиться в том, что выходное напря-жение пироэлектрического сенсора равно постоянному значению V0, пропорци¬ональному величине теплового потока.
Пироэлементы.
Пироэлектрические датчики также относятся к классу пассивных ИК детекто¬ров. На рис. 5 А показана типовая конструкция твердотельных пироэлектрических детекторов

А
В
Рис.5. Двойной пироэлектрический датчик
А - конструкция датчика в металлическом корпусе, Б - металлические электроды нанесены на противо¬положные стороны материала, В - эквивалентная схе¬ма двойного элемента

Они разме¬щаются в металлических кор¬пусах ТО-5 или ТО-39, что обеспечивает хорошее экра¬нирование и защиту от окру¬жающей среды. Окошко, про¬пускающее излучение, обычно изготавливается из кремния. Внутреннее пространство кор¬пуса часто заполняется сухим воздухом или азотом. Обычно используют два чувствитель¬ных элемента, соединенных последовательно или парал¬лельно навстречу друг другу, для лучшей компенсации бы¬стрых изменений тепловых потоков и механических на-грузок, возникающих из-за акустических шумов и вибра¬ций. Иногда один из элемен¬тов покрывается красителем для увеличения поглощающей способности, а второй экранируется от излучений, а для улучшения его

соединение
(В)
отражающей способности на него наносится слой золота. Иногда пироэлектрический чувствительный элемент изготавливается из нихромовых электродов, нанесенных с двух сторон пироэлектрика. Нихром обладает высокой излучающей (поглощающей) способностью, и поэтому электроды из него выполняют сразу две функции: поглощают тепловое излучение и собирают элек¬трические заряды. При использовании таких детекторов в датчиках движения из¬лучение воздействует через окошко на оба пироэлектрических элемента.
пироэлектрическии материал
Двойной элемент часто изготавливается на одной подложке из кристалли¬ческого материала (рис. 5 Б). Металлические электроды, нанесенные с двух сторон материала, формируют два последовательно соединенных конденсатора С, и С2. На рис. 5В показана эквивалентная схема двойного пироэлектри¬ческого элемента. Такая конструкция дает возможность хорошо отбалансиро¬вать оба элемента и, следовательно, устранить все синфазные помехи. Следует отметить, что чувствительные зоны расположены только в пространстве между электродами, остальная часть пироэлектрического материала, непокрытая элек¬тродами, в генерации полезного сигнала не участвует. Пироэлектрические де¬текторы очень чувствительны к механическим нагрузкам и вибрациям, что очень осложняет их проектирование. В дополнение к этому все пироэлектрики также являются и пьезоэлектриками, поэтому для них характерен, так называемый мик¬рофонный шум. Для борьбы с такими помехами кристаллический элемент от¬деляют от внешних частей детектора, особенно важно обеспечить отсутствие ме¬ханических связей между пироэлектриком и металлическим корпусом, а также между ним и выводами.
Пироэлектрический элемент, состоящий из кристалла пироэлектрика с дву¬мя электродами, можно представить в виде конденсатора, включенного парал¬лельно с резистором утечки. Величина этого резистора составляет порядка 1012...1014 Ом. На практике датчик подсоединяется к схеме, в состав которой вхо¬дит резистор смещения Rh и преобразователь импеданса (на рис. 5 А эта схема так и называется «схема»). В качестве преобразователя может использоваться либо повторитель напряжения (например, на основе полевого транзистора), либо пре¬образователь ток-напряжение. Повторитель напряжения (рис. 6) преобра¬зует высокий выходной импеданс датчика (параллельное соединение емкости С и резистора Rb) в выходное сопротивление повторителя (в нашем примере опреде¬ляемое резистором 47 кОм и межэлектродной проводимостью транзистора).

Рис.6. Преобразователи импеданса для пироэлектрических датчиков: повторитель напряжений на полевом транзисторе,

До¬стоинствами такой схемы являются простота, невысокая стоимость и низкий уро¬вень шума. Однако у нее есть и два серьезных недостатка. Первый недостаток — зависимость быстродействия схемы от так называемой электрической постоянной времени, которая определяется как произведение емкости датчика С и резистора смещения Rb:

Te = CRb.

Преобразователь ток-напряжение является более дорогой, но также и более эффективной схемой подключения пироэлектрического детектора. Его преимущества — лучшее быстродействие и нечувствительность к емкости пиро¬электрического элемента. Датчик подключается к инвертирующему входу ОУ, об¬ладающему свойствами, так называемой виртуальной земли, поэтому напряжение на этом входе явля¬ется постоянным и практически равным напряжению на неинвертирующем вхо¬де, который в данном случае заземлен. Таким образом, назначение цепи ОС зак¬лючается в поддержании напряжения на датчике, равным нулю. Выходное на¬пряжение в этом случае отслеживает электрический ток (поток зарядов), выраба¬тываемый датчиком. Такое включение датчика обеспечивает очень низкий уровень тока смещения ОУ (порядка 1 пА). Три основных достоин¬ства такой схемы: быстродействие, нечувствительность к емкости датчика и низ¬кое напряжение смещения. Однако преобразователь ток-напряжение имеет не только широкую полосу пропускания, но и обладает более высоким уровнем шума.


Поверхностные технологии получения тонкопленочных и толстопленочных элементов датчиков.

Нанесение тонких и толстых пленок.

Тонкие пленки часто используются для придания чувствительной поверхности некоторых дополнительных свойств. Например, для улучшения поглощающей способности тепловых излучений датчика, работающего в дальнем ИК спектраль¬ном диапазоне, его поверхность иногда покрывается материалом, обладающим высоким коэффициентом поглощения, например, нихромом. На кремниевую подложку может быть нанесен слой из пьезоэлектрика для придания ей пьезоэ¬лектрических свойств. Толстые пленки часто используются в качестве мембран в составе датчиков давления или микрофонов. Разработано несколько методов на¬несения пленок разной толщины на подложки из разных материалов. Среди них самыми популярными являются литье при вращении, термовакуумное напыле¬ние, ионное распыление, гальванический метод и трафаретная печать.

Литье при вращении

По этой технологии материал для создания пленок растворяется в летучем жид¬ком растворителе. Получившимся раствором поливают быстро вращающийся образец. Центробежные силы разносят материал, и после испарения растворите¬ля на поверхности образца остается тонкая пленка. Этот метод часто использует¬ся для нанесения тонких пленок из органических материалов, особенно при из¬готовлении датчиков влажности и химических детекторов. Толщина готовых пле¬нок определяется растворимостью наносимого материала и скоростью вращения, и обычно она находится в диапазоне 0.1 ...50 мкм. Недостатком этого метода явля¬ется неравномерность нанесения пленки, особенно если образец имеет явно вы-раженные неровности. В дополнение к этому нанесенный материал имеет тен¬денцию сжиматься при высыхании. Тем не менее, для многих практических при¬менений этот метод вполне годится.

Термовакуумное напыление

В этом методе металл предварительно превращается в газ, который осаждается на поверхность образца, формируя на его поверхности тонкую пленку. Система на¬пыления состоит из вакуумной камеры (рис. 7); диффузионного насоса, обес¬печивающего давление в камере порядка 〖10〗^(-6)…〖10〗^(-7)торр; держателя образца, тигля и заслонки. Наносимый материал помещается в керамический тигель, нагревае¬мый вольфрамовой нитью накаливания до температуры плавления металла. Аль-тернативным методом нагревания является использование электронного луча.
По команде от блока управления заслонка открывается, позволяя оторвав-шимся атомам металла осаждаться на образце. Части образца, защищаемые мас¬кой, остаются непокрытыми. Толщина пленки определяется временем напыле¬ния и давлением паров металла. Чем ниже температура плавления материала, тем легче его напылять (например, алюминий). Как правило, пленки, нанесенные методом вакуумного напыления, обладают большим остаточным напряжением, поэтому этот метод применяется только для нанесения тонких пленок.

Рис. 7. Напыле¬ние тонкой метал¬лической пленки в вакуумной камере

Поскольку расплавленный материал является практически точечным источ¬ником атомов, возникают две проблемы: неравномерность нанесения пленок и эффект затенения - нечеткость краев пленки по границе маски. Для снижения этих явлений применяются следующие методы: используются либо несколько тиглей (3 или 4), либо вращение образца.
При использовании метода вакуумного напыления необходимо следить за тем, чтобы в камеру не попадали посторонние вещества. Поскольку даже небольшое количество масла (например, от насоса) может привести к возгоранию органи¬ческих материалов или к осаждению на образце таких нежелательных компонен¬тов, как углеводы. Также как и вакуумное напыление, ионное распыление проводится в вакуумной ка¬мере (рис.8). Однако здесь после откачивания воздуха в камеру вводится инертный газ (аргон или гелий) под давле¬нием 2∙〖10〗^(-6)...5∙〖10〗^(-6) торр. На катод (мишень), изготовлен¬ный из распыляемого мате¬риала, подается высокое по¬стоянное или переменное на¬пряжение. Образец крепится на анод, расположенный на некотором расстоянии от катода. Высокое напряжение раскаляет плазму инертного газа, и быстрые газо¬вые ионы начинают бомбардировать мишень. Кинетическая энергия бомбарди-рующих ионов достаточно высока, чтобы заставить отдельные атомы оторваться от поверхности катода. Некоторые из этих атомов, долетая до образца, формиру¬ют на его поверхности тонкую пленку.
Пленки, наносимые методом ионного распыления, обладают большей рав¬номерностью, особенно при введении в камеру магнитного поля, направляюще¬го ионы прямо на поверхность образца. Поскольку в этом методе нет необходи¬мости в сильном нагреве мишени, распыляться могут практически любые мате¬риалы, включая органические. Более того, распыляться могут материалы одно¬временно с нескольких мишеней. Например, при формировании нихромовых электродов на поверхности пироэлектрических датчиков распыляются ионы Ni и Сг от двух разных мишеней.

Рис. 8. Ионное распыление в вакуумной камере

Химическое осаждение из газовой фазы

Эта технология используется при изготовлении оптических, оптоэлектронных и электронных устройств. При производстве датчиков часто бывает необходимо формировать оптические окна или наносить на поверхность полупроводниковых подложек тонкие или толстые кристаллические пленки.
Процесс химического осаждения проводится в реакторе, упрощенная схема которого показана на рис. 9. Подложки располагаются на стационарном или вращающемся столе (держателе пластин), температура которого повышается до требуемого уровня при помощи специального нагревателя. В верхней крышке ре¬актора есть отверстие для ввода водорода со специальными примесями, которые перемещаясь над нагретыми поверхностями подложек, осаждаются на них, фор¬мируя тонкие пленки. Обычно газ вводится через центральную часть реактора, а выводят через боковые отверстия. Среднее давление газа в реакторе составляет порядка 1 атм, а иногда и ниже. Например, для выращивания пленки из Ga0 47 ln0,53 Аs толщиной 6000А на InP подложке со скоростью 1.4 А/с необходимо обеспечить следующие условия: температуру 630°С и давление 1 атм.

Рис. 9. Упрощенная структура реактора для проведения процесса химического осаждения из газовой фазы

Задача. Вариант задания 9.
Вариант 0.9 Охранная сигнализация с контролем по напряжению
3.Тип извещателей охранные – НЗ 6. Uшс НЗ 1/3 Uпит
1. Количество ШС 1 4. Rпр 1,2кОм 1.N 2
2. Uпит 14В 5. Rизв НЗ Rок

Расчёт схемы охранно-пожарной сигнализации.
Тип извещателей: извещатель с нормально-замкнутыми контактами.

Рис.10. Эквивалентная схема реального шлейфа сигнализации.

Исходные данные:
- количество шлейфов: 1;
- Uп = 14 В;
- Rпр: 1200 Ом;
- Rизв = Rок;
- Uшс = Uп/3;
- Rут = 20 кОм;
- Rшс: 100 Ом.
Решение

Рис.11. Делитель напряжения.

Согласно схеме делителя напряжения имеем:
U_шс=〖U_п ∙ R〗_экв/R_(пр+R_экв )
Следовательно
R_экв=〖U_шс ∙ R〗_пр/(U_п-U_шс )=〖14/3 ∙ 1200〗_ /(14-14/3)=600 Ом

Согласно эквивалентной схемы, показанной на рисунке 10, в режиме «нормы» эквивалентное сопротивление (R_экв) можно выразить:

R_экв=((R_шс+R_ок )∙R_ут)/(R_шс 〖+R_ок+R〗_ут )
Следовательно,

R_ок=(R_ут∙R_шс-R_экв (R_шс+R_ут))/(R_экв 〖-R〗_ут )=(20000∙100-600(100+20000))/(600-20000)=504,5 Ом

Стандартный номинал Rок ряда Е24 равен 510 Ом. Это вполне приемлемое значение.
Допустимые отклонения в пределах ±5% составляют: Rок = 484,5... 535,5Ом.
Нормальное состояние: Rок = 510±5% Ом.
Воспользуемся формулой

R_экв=((R_шс+R_ок )∙R_ут)/(R_шс 〖+R_ок+R〗_ут )= ((100+510)∙20000)/(100+510+20000)=592 Ом

Следовательно при R_экв=592±5% Ом, R_(экв min)=562,4 Ом и R_(экв max)=621,6 Ом .
Тогда
U_шс=〖U_п ∙ R〗_экв/R_(пр+R_экв ) =(14∙592)/(1200+592)=4,625 В

U_шсmin=〖U_п ∙ R〗_(экв min)/R_(пр+R_эквmin ) =(14∙562,4)/(1200+562,4)=4,47 В

U_шсmax=〖U_п ∙ R〗_эквmax/R_(пр+R_экв max) =(14∙621,6)/(1200+621,6)=4,78 В

U_(шс min)=4,47 В и U_(шс max)=4,78 В.

Рассчитываем напряжения для обрыва (R_экв=20 кОм)
R_экв=20000±5% Ом, R_(экв min)=19000 Ом и R_(экв max)=21000 Ом .

U_шс=〖U_п ∙ R〗_экв/R_(пр+R_экв ) =(14∙20000)/(1200+20000)=13,21 В

U_шсmin=〖U_п ∙ R〗_(экв min)/R_(пр+R_эквmin ) =(14∙19000)/(1200+19000)=13,17 В

U_шсmax=〖U_п ∙ R〗_эквmax/R_(пр+R_экв max) =(14∙21000)/(1200+21000)=13,24 В

U_(шс min)=13,17 В и U_(шс max)=13,24 В.

Рассчитаем напряжение короткого замыкания (R_экв=0 Ом), напряжение короткого замыкания равно нулю.
Рассчитаем сработки одного датчика R_экв=1060,6 Ом из рис.10)
R_экв=1060,6±5% Ом, R_(экв min)=1007,57 Ом и R_(экв max)=1113,63 Ом.
U_шс=〖U_п ∙ R〗_экв/R_(пр+R_экв ) =(14∙1060,6)/(1200+1060,6)=6,6 В

U_шсmin=〖U_п ∙ R〗_(экв min)/R_(пр+R_эквmin ) =(14∙1007,57)/(1200+1007,57)=6,3 В

U_шсmax=〖U_п ∙ R〗_эквmax/R_(пр+R_экв max) =(14∙1113,63)/(1200+1113,63)=6,7 В

U_(шс min)=6,3 В и U_(шс max)=6,7 В.

Рассчитаем сработки обоих датчиков R_экв=1507,2 Ом из рис. 10
R_экв=1507,2±5% Ом, R_(экв min)=1431,84 Ом и R_(экв max)=22155,84 Ом.

U_шс=〖U_п ∙ R〗_экв/R_(пр+R_экв ) =(14∙1507,2)/(1200+1507,2)=7,8 В

U_шсmin=〖U_п ∙ R〗_(экв min)/R_(пр+R_эквmin ) =(14∙1431,84)/(1200+1431,84)=7,6 В

U_шсmax=〖U_п ∙ R〗_эквmax/R_(пр+R_экв max) =(14∙22155,84)/(1200+22155,84)=7,9 В

U_(шс min)=7,6 В и U_(шс max)=7,9 В.

Результаты вычисления всех состояний схемы для наглядности сведены в таблицу 1:

Таблица 1.
Uшсmin,В Uшс, В U шсmax, В R экв, Ом
Нормальное
состояние 4,47 4,6 4,78 592
Обрыв 13,17 13,21 13,24 20000
Короткое
замыкание 0 0 0 0
Срабатывание одного
извещателя 6,3 6,6 6,7 1060,6
Срабатывание двух
извещателей 7,6 7,8 7,9 1507,2

Литература

Фрайдер Дж. - Современные датчики. Справочник. (Мир электроники) – Москва, 2006.
Джексон Р.Г. Новейшие датчики, Москва, 2007.
Лабораторный практикум, «Первичные преобразователи», Серенков, Минск, БГУИР, 2011.
Категория: Другое | Добавил: ilya21
Просмотров: 954 | Загрузок: 19
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]