Разработка и исследование частотных датчиков механических величин на основе кремния

• Автор: Сорокин, Михаил Юрьевич
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Ульяновск
• Количество страниц: 205 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

1.1. Аналитический обзор существующих типов датчиков, перспективные разработки

1.2. Основные методы изготовления элементов первичного преобразователя

1.3. Анализ резонатора

1.4. Анализ мембраны

1.5. Описание работы преобразователя

1.6. Механические свойства монокристалла кремния

1.7. Исследование конструкции измерительного преобразователя

1.7.1. Оценка статической характеристики измерительного преобразователя

1.7.2. Оценка влияния изменения линейных размеров резонатора

и мембраны
1.8. Выбор направления исследования и постановка задачи
1.9. Результаты и выводы
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.
2.1. Первоначальная математическая модель измерительного преобразователя
2.2. Оценка статической характеристики с учетом технологических допусков.
2.3. Оценка основных конструктивных характеристик
измерительного преобразователя
2.3.1. Оценка расстояния между электродами
2.3.2. Оценка толщины мембраны.
2.3.3. Оценка толщины резонатора.
2.4. Математическая модель измерительного преобразователя с учетом технологических допусков.
2.5. Математическое моделирование изменения температурного режима работы.
2.6. Математическая модель измерительного преобразователя с дополнительной зависимостью от температуры
2.7. Результаты и выводы.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ ФАКТОРОВ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ .
3.1. Влияние внешних воздействующих факторов.
3.1.1. Воздействие широкополосной случайной вибрации
3.1.2. Воздействие механического удара
3.1.3. Воздействие акустического шума
3.2. Описание конструктивных особенностей резонатора.
3.3. Разработка способа повышения чувствительности.
3.4. Результаты и выводы.
4. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ МИНИМИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ В СТАЦИОНАРНОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ РЕЖИМЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ КОМПЕНСАЦИИ АДДИТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ.
4.1. Обзор существующих методов минимизации температурной погрешности
4.2. Датчик с выходным сигналом в виде девиации амплитуды напряжения.
4.3. Преобразователь с частотным выходом и обратной связью по амплитуде колебаний резонатора
4.4. Преобразователь с частотным выходом и обратной связью по фазе колебаний резонатора
4.5. Преобразователь с частотным выходом и обратной связью по амплитуде колебаний резонатора и инвертирующим сумматором
в обратной связи.
4.6. Результаты и выводы.
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ КОМПЕНСАЦИИ МУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ И ОБЩЕЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ.
5.1. Датчик с выходным сигналом в виде девиации амплитуды напряжения.
5.2. Преобразователь с частотным выходом и обратной связью по амплитуде колебаний резонатора.
5.3. Преобразователь с частотным выходом и обратной связью по фазе колебаний резонатора
5.4. Разработка способа компенсации общей температурной погрешности
5.5. Результаты и выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Аналогами исследуемого преобразователя могут служить серийно выпускаемые вибрационночастотные датчики, приведенные в таблице 1. Таблица 1. Диапазон измерения давления И,. Па . Па 0,. Па 0. Выходной сигнал температурной коррекции, В 0. Диапазон рабочих температур, С . В настоящее время широко используются следующие методы химического травления изотропное растворение полупроводника с одинаковой скоростью травления по всем направлениям монокристалла анизотропное растворение полупроводника с различной скоростью по разным направлениям монокристалла селективное растворение полупроводника с различной скоростью на разных участках поверхности с одной и той же кристаллографической ориентацией подложки либо с различными скоростями травления слоев разного химического состава в избирательных травителях локальное удаление материала лишь со строго ограниченных и заданных участков подложки послойное равномерное последовательное снятие тонких поверхностных слоев полупроводника после ионной имплантации, диффузии легирующей примеси . Для травления кремния используют изотропное и анизотропное травление. Уобразный профиль. Внешний вид начальной конструкции резонатора приведен на рис. США 4 3 1 от г. Рис. Резонатор обладает двумя линиями симметрии, растягивающая сила Т7 приложена к местам закрепления резонатора. Центральная часть резонатора представляет собой балочный элемент с утолщением средней части. Резонатор при помощи растяжек связан с местами закрепления. Проведенный анализ резонатора выявил следующие особенности резонатора. Начальная частота собственных колебаний резонатора зависит от толщины резонатора, ширины центральной части и растяжек резонатора с местами закрепления. Форма колебаний на основной гармонике характеризуется тем, что перемещения средней части резонатора происходят в противофазе с перемещениями боковых частей резонатора. Целесообразно использование емкостного способа возбуждения и регистрации колебаний. Возбуждение колебаний резонатора лучше производить в центральной части резонатора, а регистрацию колебаний производить боковыми электродами. В случае возбуждения колебаний резонатора с использованием боковых электродов повышаются требования к точности изготовления резонатора, поскольку изменение массовых характеристик в силу погрешности изготовления ведет к несимметричности возбуждения колебаний, а, следовательно, искажается и форма колебаний резонатора. В связи с возбуждением колебаний резонатора в центральной части резонатора для увеличения площади возбуждения центральная часть изменена таким образом, что центр гибкой связи между инерционными пластинами представляет собой восьмиугольник. Резонатор прототипа предназначен для колебаний в вакууме, в противном случае коэффициент добротности уменьшится вследствие появления потерь на трение. Одним из методов уменьшения потерь на вязкое трение и акустические эффекты является способ изготовления резонатора с различными видами вырезов, аналогично приведенному в патенте УО8, кл. Ь9, от г. В силу технологической простоты изготовления выбирается квадратная мембрана. Для изготовления мембраны и резонатора выбрана плоскость 0, которая является предпочтительной при изготовлении элементов микроэлектронной техники. Для соединения мембраны и резонатора на мембране изготавливаются подставки, которые в дальнейшем соединяются с подставками резонатора. Деформация мембраны передается через эти подставки на резонатор, вызывая тем самым деформацию резонатора, а, следовательно, и изменение частоты собственных колебаний резонатора. Для соединения элементов преобразователя выбирается широко используемый способ электростатического соединения через стекло типа Пирекс. Прототипом мембраны и подставок резонатора являлся преобразователь, представленный в патенте США 4 9 9 от г. Исследуемая конструкция измерительного преобразователя рамка с квадратной мембраной и рамка с резонатором приведена на рис. Рис. По режиму работы преобразователи с частотным выходом классифицируются следующим образом работающие в режиме свободных колебаний, автоколебаний и вынужденных колебаний.