Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки icon

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки




Скачати 337.66 Kb.
НазваМетодичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки
Дата26.05.2013
Розмір337.66 Kb.
ТипМетодичні вказівки


Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Сумський державний університет


3251 Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

з курсу «Мікроелектронні сенсори»

для студентів напряму підготовки

050802 «Електронні пристрої та системи»

денної форми навчання


Суми

Сумський державний університет

2012


Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» / укладачі : Н. М. Опанасюк, А. О. Степаненко. – Суми : Сумський державний університет, 2012. – 34 с.


Кафедра прикладної фізики

ПЕРЕДМОВА

Стрімкий розвиток електроніки й обчислювальної техніки дозволив здійснити автоматизацію більшості процесів вимірювання фізичних величин у промисловості, наукових дослідженнях, повсякденному житті. Реалізація цього стала можлива лише завдяки створенню пристроїв, які дозволяють отримувати первинну інформацію про досліджуваний об’єкт та перетворювати її у сигнал, зручний для використання, – так званих датчиків, або сенсорів.

Сенсор (від англ. sensor) - чутливий елемент, що перетворює параметри середовища в придатний для технічного використання сигнал, як правило, електричний або інший за природою. Датчик є елементом будь-якої технічної системи, призначеної для вимірювання, сигналізації, регулювання, управління пристроями або процесами. Таким чином, він є ключовим елементом будь-якої вимірювальної системи.

Останні досягнення в дослідженні напівпровідникових матеріалів, струмопроходженні у плівках, відкриття нових фізичних ефектів у твердому тілі та оптично активних матеріалах створили можливість розроблення нового класу сенсорних пристроїв, які складають цілий напрямок так званих мікроелектронних сенсорів, побудованих на основі інтегральної електроніки та оптики. В основу цих сенсорів покладені такі базові мікроелектронні структури, як резистор, конденсатор, діод та транзистор, які реагують на зміну фізичної величини, що вимірюється.

Завданням цих методичних вказівок є ознайомлення студентів, яким викладається курс «Мікроелектронні сенсори», з конструкцією та принципами дії деяких сенсорних пристроїв для вимірювання характеристик магнітних полів, температури, освітлення та інших фізичних величин.


^ ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ І ЗАХИСТУ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З КУРСУ «МІКРОЕЛЕКТРОННІ СЕНСОРИ»


Лабораторні роботи з курсу «Мікроелектронні сенсори» виконуються впродовж двох (або чотирьох) академічних годин.

До виконання роботи допускаються студенти, які мають підготовлений протокол та склали викладачу звіт з теорії та порядку виконання лабораторної роботи.

Чистовий протокол виконання лабораторної роботи повинен вміщувати:

  • дату виконання роботи;

  • номер лабораторної роботи та її назву;

  • мету роботи;

  • коротку теоретичну частину і метод вимірювання;

  • короткий опис експериментальної установки;

  • перелік приладів та пристроїв;

  • рисунок та схему установки;

  • розрахункові формули;

  • таблиці результатів вимірювань, графіки;

  • обчислення середнього значення шуканої величини;

  • обчислення помилок прямих і непрямих вимірювань;

  • висновки за результатами роботи.

На лабораторному занятті студент повинен провести необхідні вимірювання, виконати попередні розрахунки та обговорити їх із викладачем. Провести повторні вимірювання, якщо були виявлені помилки або виникли сумніви щодо достовірності отриманих результатів. З цією самою метою на занятті за результатами вимірювань необхідно побудувати робочий графік. Креслення й рисунки повинні бути виконані за допомогою лінійки та інших креслярських інструментів, а графіки – з урахуванням вимог державних стандартів.

Остаточно оформлений (чистовий) протокол повинен бути поданий викладачу до планового моменту захисту лабораторних робіт згідно з графіком навчального процесу, в іншому випадку студент не допускається до виконання чергової групи лабораторних робіт.

Робота вважається захищеною після подання оформленого звіту та успішно проведеного захисту результатів у письмовій формі.

При успішному захисті роботи в робочому журналі студента ставиться підпис викладача, а в журналі академічної групи – оцінка.


Лабораторна робота 1

Використання перетворювача Холла як сенсора магнітного поля


^ Мета роботи – вивчення конструкції перетворювачів Холла і вимірювання напруженості магнітних полів за їх допомогою.

Елементи теорії. Ефектом Холла називають явище виникнення в металі або напівпровіднику, по якому проходить струм, поперечного електричного поля під дією магнітного поля, лінії індукції якого перпендикулярні до напряму струму (рис. 1а).



^ Рисунок 1 – Схема експерименту з вимірювання ЕРС Холла


Ефект Холла пояснюється електронною теорією провідності. Розглянемо проходження струму через металеву пластину у вигляді паралелепіпеда. За відсутності магнітного поля струм у ній обумовлений лише електричним полем з напруженістю. Оскільки носії заряду – електрони – мають від'ємний заряд, їх швидкість напрямленого руху протилежна вектору густини струму . Еквіпотенціальні поверхні цього поля утворюють систему перпендикулярних до вектора площин (рис. 1б). Потенціал в усіх точках еквіпотенціальної поверхні, а отже, і в точках 1 і 2 однаковий. При ввімкненні магнітного поля на кожний носій струму починає діяти сила Лоренца , що напрямлена вздовж сторони пластинки , яка дорівнює


, (1)


де е – заряд електрона; – швидкість руху носіїв заряду; В – модуль вектора індукції магнітного поля.

Унаслідок цього електрони відхиляються від прямолінійної траєкторії до верхнього краю пластини. Біля цього краю утворюється надлишок від'ємних, відповідно біля нижнього краю – надлишок позитивних зарядів. Отже, виникає додаткове поперечне електричне поле . Якщо напруженість цього поля досягне такого значення, що його дія на заряди зрівноважить силу Лоренца, то встановиться стаціонарний розподіл зарядів у поперечному напрямі пластинки. Відповідне значення визначається умовою


, (2)

звідки

. (3)


Поля та додаються і утворюють результуюче поле з напруженістю , яка тепер буде спрямована під деяким кутом до напрямку проходження струму (рис. 1б). Еквіпотенціальні поверхні завжди перпендикулярні до силових ліній і, отже, до вектора напруженості поля . Тому ці поверхні повернуться і займуть положення, зображене на рис. 1б пунктиром. Точки 1 та 2, що раніше лежали на одній і тій самій еквіпотенціальній поверхні, тепер мають різні потенціали. Щоб знайти напругу між цими точками, яка є напругою Холла, треба помножити відстань між ними на напруженість поля:


. (4)


Оскільки , після підстановки у співвідношення (4) отримаємо


, (5)


де j – густина струму; n – концентрація носіїв заряду.

Введемо позначення , тоді рівняння (5) можна звести до вигляду


, (6)


де константу називають сталою Холла.

Для реальних вимірювань використовують дещо іншу форму цього виразу. Врахувавши, що густина струму дорівнює


, (7)

отримаємо

. (8)


З цього виразу видно, що вимірявши напругу Холла та знаючи струм, що проходить крізь пластину, можна знайти магнітну індукцію зовнішнього поля. Таким чином, металеві або напівпровідникові пластини можуть бути використані для детектування магнітного поля. Звичайно, як активний матеріал перетворювача (датчика) використовують напівпровідники.

Конструктивно датчик Холла являє собою прямокутну напівпровідникову пластину, до бокових граней якої приєднані дві пари електродів, одна з них призначена для підведення електричного струму, інша - для вимірювання різниці потенціалів Холла. Вся конструкція розміщується в магнітному полі, яке потрібно виміряти.



^ Рисунок 2 – Конструкція перетворювача Холла на ізолюючій підкладці


Відношення у співвідношенні (8) називають питомою чутливістю ненавантаженого ідеального перетворювача Холла. Під ідеальним розуміють прямокутний перетворювач Холла, який має нескінченно велику довжину в повздовжньому напрямку і точкові холлівські електроди. Реальний перетворювач Холла, який має довільні геометричні розміри, також характеризується питомою чутливістю


. (9)


Коефіцієнт залежить від співвідношення геометричних розмірів і значення магнітної індукції. Отже, напругу Холла реального перетворювача Холла можна знайти з рівняння


. (10)


Відстань між керуючими і холлівськими електродами у перетворювачах Холла, зображених на рис.1, як правило, становить кілька міліметрів.




а б

^ Рисунок 3 – Перетворювач Холла без впливу паразитної термоЕРС:

а – для сенсорів магнітного поля;

б – для модуляторів;

1, 2 – електроди для керуючого струму;

3, 4 – електроди для зняття напруги Холла

При нерівномірному нагріванні напівпровідника між кожною парою електродів може виникнути термоЕРС, що зумовлює похибки при вимірюваннях магнітного поля. Щоб зменшити відстань між електродами, використовують форму пластин, показану на рис. 3.


^ Порядок виконання роботи

1. Під’єднати джерело струму до поздовжніх холлівських електродів, запропонованого викладачем перетворювача. Поперечні холлівські контакти підключити до вольтметра та ввести перетворювач Холла у магнітне поле.

1.1 Подати на поздовжні контакти перетворювача струм І1 і виміряти значення ЕРС.

1.2 Змінюючи магнітне поле за допомогою блока живлення, побудувати залежність U(B) при І1=const.

1.3 Змінюючи струм І1 на поздовжніх електродах та повторюючи пункти 1.1 і 1.2, отримати три залежності U(B).

2. Підключивши джерело струму І1 до поперечних контактів, а вольтметр - до поздовжніх, визначити значення ЕРС та провести послідовно вимірювання аналогічно пунктам 1.1, 1.2, 1.3.

3. Зробити висновки щодо використання перетворювачів Холла як сенсорів магнітного поля.


Зміст звіту

1. Номер, назва та мета роботи.

2. Короткі теоретичні відомості. Принципова схема вимірювань.

3. Робоча таблиця з результатами вимірювань.

4. Побудовані залежності U(B).

5. Висновки з роботи.


^ КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

  1. У чому полягає ефект Холла?

  2. Конструкція та принцип роботи датчика Холла.

  3. Недоліки та переваги сенсорів магнітного поля на ефекті Холла.

  4. При якому підключенні живлення до перетворювача Холла (поздовжньому чи поперечному) чутливість сенсора буде більшою?


^ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Мікроелектронні сенсори фізичних величин: науково-навчальне видання: у 3 томах / за ред. З. Ю. Готри. – Львів: Ліга-Прес, 2003. – Т.1.– 595 с.

  2. Кобус А., Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы: пер. с польск. – Москва: Энергия, 1971. – 352 с.

Лабораторна робота 2

Одержання тонкоплівкового сенсора температури


^ Мета роботи – одержати тонкоплівковий сенсор температури (термопару) та проградуювати її.

Елементи теорії. Температура впливає на перебіг більшості процесів і явищ, що відбуваються у природі, здійснюються в лабораторіях і на промислових підприємствах. У зв'язку з цим вимірювання температури має велике практичне значення. Для її вимірювання, як правило, використовують сенсорні пристрої, які отримали назву термометрів.

Т
1
ермометрами називаються вимірювальні пристрої, вхідною (вимірюваною) величиною яких є температура, а вихідною (вихідним сигналом) будь-яка величина, яка однозначно залежить від температури. Найпростіше вимірювати електричні величини, крім того, їх вимірювання можна проводити дистанційно, саме тому серед термометричних сенсорів електричні займають гідне місце. Поміж електричних термометрів найбільшого поширення в лабораторіях і промисловості набули термоелектричні термометри, оскільки вони дозволяють розв’язувати задачу вимірювання температури досить простими способами.


I

Т1


Т2

2

Рисунок 1 – Замкнуте електричне коло з двох різнорідних металів, спаї яких мають неоднакову температуру


У термоелектричних термометрах для вимірювання температури використовується відкрите у 1821 р. Зеєбеком явище термоелектрики (ефект Зеєбека). Якщо два провідники з різних металевих матеріалів А і В з’єднати кінцями в замкнутий контур і місця з'єднання (спаї) розмістити при різних температурах і , то в контурі виникне електричний струм (рис. 1). Зміна знака різниці температур спаїв супроводжується зміною напрямку струму.

Провідники, що утворюють спаї, називають термоелектродами, а сам пристрій – термопарою. Один із спаїв, що розміщують у середовищі, температура якого вимірюється, є робочим кінцем термопари, а другий, що знаходиться при постійній температурі, є вільним кінцем термопари. Як правило, вільний спай термопари підтримують при температурі 0 С. Важливим є те, що термоелектричний контур можна розімкнути у будь-якому місці і включити в нього один або декілька однакових чи різнорідних провідників. Якщо їх місця з'єднання знаходяться при однаковій температурі, то паразитної термоелектрорушійної сили (ЕРС) не виникає. Це дозволяє, наприклад, подовжувати вільні кінці термопари за допомогою матеріалів, що мають добру провідність.

Термоелектрорушійна сила, що виникає у контакті двох металів (скорочено термоЕРС), обумовлена трьома причинами:

1) залежністю рівня Фермі від температури;

2) дифузією електронів;

3) захопленням електронів фононами.

Положення рівня Фермі у металі залежить від його температури. Тому стрибок потенціалу при переході з одного металу в іншій (тобто внутрішня контактна різниця потенціалів) для спаїв, що знаходяться при різних температурах, неоднаковий. Відповідно сума стрибків потенціалу не дорівнює нулю. Одного цього достатньо для виникнення ЕРС в електричному колі (рис. 1).

Щоб зрозуміти другу причину виникнення термоЕРС, розглянемо однорідний металевий провідник, уздовж якого створено градієнт температури dT/dl (рис. 2).


EF

Рисунок 2 – Дифузія електронів уздовж неоднорідного нагрітого стрижня. Верхня стрілка вказує напрям дифузії швидших електронів, нижня стрілка - напрям дифузії повільніших електронів

У цьому випадку концентрація електронів з енергією, що більша, ніж енергія Ферм, у нагрітого кінця буде більшою, ніж у холодного; концентрація ж електронів з енергією, що менша, ніж енергія Фермі, буде, навпаки, у нагрітого кінця меншою. У результаті вздовж провідника виникає градієнт концентрації електронів із заданим значенням енергії. Це спричиняє дифузію швидших електронів до холодного кінця, а повільніших – до гарячого. При цьому дифузійний потік швидких електронів буде більшим, ніж потік повільних електронів. Тому поблизу холодного кінця утворюється надлишок електронів, а поблизу теплого – їх нестача. Це приводить до виникнення дифузійного доданка термоЕРС.

Третя причина виникнення термоЕРС полягає в захопленні електронів фононами. За наявності градієнта температури вздовж провідника виникає дрейф фононів. Стикаючись з електронами, фонони надають їм направлений рух від більш нагрітого кінця провідника до менш нагрітого. У результаті відбувається накопичення електронів на холодному кінці і збіднення електронами гарячого кінця. Це приводить до виникнення «фононного» доданка термоЕРС.

Обидва процеси – дифузія електронів і захоплення електронів фононами – приводять до утворення надлишку електронів поблизу холодного кінця провідника і нестачі їх поблизу гарячого кінця. В результаті всередині провідника виникає стороннє (неелектростатичне) поле Ест*, направлене назустріч градієнту температури.

ТермоЕРС, що виникає у електричному колі (рис. 1), яке складається з двох провідників можна подати у вигляді


. (1)


Величину називають диференціальною, або питомою, термоелектрорушійною силою даної пари матеріалів. Для більшості пар металів має порядок 10-5-10-4 В/К, в той час як для напівпровідників вона може сягати значно більших значень (до 1,5 ×10-3 В/К).

В окремих випадках питома термоЕРС слабо залежить від температури. Тоді формулу (1) можна приблизно подати у вигляді


. (2)

У більшості випадків при збільшенні різниці температур спаїв термо ЕРС змінюється складно, аж до того, що вона може змінювати знак. Так, наприклад, якщо один спай пари металів залізо - мідь підтримувати при 0 С, то при температурі другого спаю, що дорівнює приблизно 540 С, термоЕРС обертається на нуль; при нижчій температурі спаю термоЕРС має один знак, при вищій – інший. Для виготовлення термопар вибирають пари металів, зміна термоЕРС яких при зміні температури є близькою до лінійної. Про значення температури можна судити за силою виникаючого термоструму, що вимірюється гальванометром, більш точний результат можна отримати, якщо вимірювати термоЕРС методом компенсації. Перед вимірюванням температури термопару обов’язково градуюють.


^ Загальні вимоги до матеріалів термопар

Для зручності вимірювань температури за допомогою термопари бажано, щоб її термоЕРС була значною, а електроопір не дуже високим. У цьому випадку можна вимірювати температуру без особливих додаткових пристроїв, таких, наприклад, як підсилювач, а також на значній відстані між термопарою і вимірювальним приладом.

Для підбору пар матеріалів термопари користуються рядом термоелектричних потенціалів (рис. 3). Оскільки виміряти потенціал окремого термоелектрода залежно від температури важко, він вимірюється відносно платини, для якої вважається, що . Термоелектрод, розміщений у цьому ряду вище, завжди позитивний по відношенню до розміщеного нижче. Чим далі лежать матеріали у термоелектричному ряду один стосовно одного, тим більше термоЕРС генерує термопара. Слід також враховувати, що термоелектрична характеристика термопари повинна бути лінійною у як можна ширшому діапазоні температур.

Матеріали для термопар повинні мати як можна вищу точку плавлення, щоб термопара працювала стабільно у робочому інтервалі температур, та бути доступними. Вони повинні легко оброблятися для отримання потрібної форми сенсора (дріт, стрічка). У матеріалі термоелектродів у робочому діапазоні температур не повинно відбуватися алотропічних перетворень, що викликають стрибкоподібні зміни термоЕРС. Термоелектроди повинні мати достатню корозійну стійкість як в окиснювальному, так і відновному середовищі. У процесі експлуатації в результаті окалиноутворення або окрихчування їх термоелектричні властивості не повинні змінюватися.


^ Середня зміна ТЕРС, E/T, мкВ/К


Рисунок 3 – Ряд термоелектричних потенціалів різних металів відносно платини для температур від 273 до 373 К:

^ 1 – телур; 2 – кремній; 3 – нікель-10% хрому; 4 – залізо;

5 –  молібден; 6 – мідь, срібло, золото, нержавіюча сталь 18/8;

7 – іридій, родій вольфрам; 8 – алюміній, тантал;9 – платина; 10 – реній; 11 – паладій; 12 – нікель; 13 – кобальт;

14 – константан (Cu55Ni45)


Легуючі елементи, що входять до складу сплаву, в результаті селективного окиснення або випаровування при високій температурі не повинні дифундувати назовні. Якщо ці умови виконуються впродовж тривалого терміну експлуатації, то отримують рівномірну і стабільну залежність термоЕРС від температури. Крім того, необхідно звертати увагу на те, щоб термоЕРС як можна менше змінювалася при механічному навантаженні термопари, такому, як розтягування, вигин, скручування і зминання. Вищенаведеним вимогам відповідають такі термопари: Cu-константан, хромель (NiCr)-константан, Fe-константан, хромель–алюмель (NiCr-Ni), палаплат (PtRh5-AuPd46Pt2), платинель (PdPt31Au24-AuPd35), WRe3-WRe25, PtRh13-Pt, PtRh10-Pt, PtRh30-PtRh6, IrRh60-Ir.


Порядок виконання роботи

1. Підготувати до роботи вакуумний універсальний пост ВУП-5.

2. Підготувати ситалову підкладку і, користуючись керамічними масками, методом термовакуумного осадження почергово нанести два плівкових термоелектроди, створивши плівкову термопару, наведену на рис. 4.



а б

Рисунок 4 – Схематичне зображення ситалової підкладки з двошаровою термопарою Cu/Ni/П і схеми вимірювання термо ЕРС за допомогою притискних зондів: вид збоку (а) та зверху (б)


3. Проградуювати отриманий плівковий сенсор-термопару. Для цього при одночасному нагріванні сенсора та еталонного термометра отримати залежність U(t) для тонкоплівкового сенсора.


Таблиця 1– Результати вимірювань термоЕРС

t, К

300

305

310

315

320

325

330

335

U, мВ

























t, К

340

345

350

355

360

365

370

375

U, мВ


























4. Зробити висновки.


Зміст звіту

1. Номер, назва та мета роботи.

2. Короткі теоретичні відомості.

3. Робоча таблиця з результатами вимірювань.

4. Побудовані залежності U(t).

5. Висновки.


^ КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

  1. Які пристрої називаються термометрами?

  2. Пояснити суть ефекту Зеєбека.

  3. Пояснити причини виникнення термоЕРС в термопарі.

  4. Сформулювати вимоги до матеріалів термопар.

  5. Які термопари найчастіше використовуються для вимірювання температури і чому?

  6. Користуючись рядом термоелектричних потенціалів, підібрати пари матеріалів, які дають максимальну термоЕРС. Розрахувати це значення.

  7. Пояснити, як проводиться градуювання термопари.


^ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Мікроелектронні сенсори фізичних величин: Науково-навчальне видання: у 3 томах / за ред. З. Ю. Готри. – Львів: Ліга-Прес, 2003. – Т.1. – 595 с.

  2. Дж. Фрайден. Современные датчики: справочник. – Москва: Техносфера, 2005. – 592 с.

Лабораторна робота 3

Вплив факторів оточуючого середовища на статичні характеристики сенсорів


^ Мета роботи - встановити залежність робочих характеристик сенсора від впливу факторів довкілля (температури, магнітного поля).

Елементи теорії. Умови зберігання це характеристики середовища, в яких сенсор за нормальних умов роботи може зберігатися впродовж визначеного часу без зміни експлуатаційних характеристик. Саме тому умови зберігання приладу повинні містити вказівки про найвищу і найнижчу температуру зберігання і максимальну відносну вологість при цих температурах. Залежно від природи сенсора необхідно враховувати також деякі додаткові умови зберігання. Наприклад, максимальний тиск, наявність газів або забруднюючої пари та ін.

Коротко- і довготривала стабільності є складовими такої характеристики, як точність. Короткотривала стабільність – це зміни в експлуатаційних характеристиках сенсора за хвилини, години або навіть дні. Довготривала стабільність – це стабільність впродовж років. Вона може визначатися, наприклад, старінням матеріалу сенсора, що призводить до незворотної зміни його електричних, механічних, хімічних та термічних властивостей. Цей довготривалий дрейф в основному однонапрямлений. Він відбувається після відносно довгого часу експлуатації (місяці, роки). Довготривала стабільність є дуже важливою для сенсорів, що використовуються для точних вимірювань. Старіння значною мірою залежить від умов зберігання та умов експлуатації. Покращити довготривалу стабільність можна шляхом прискореного старіння компонентів у екстремальних умовах. Наприклад, для сенсора можна періодично змінювати температуру з температури замерзання води до високої температури. Це прискорене старіння не лише підвищує стабільність характеристик сенсора, але й покращує його надійність, оскільки процес попереднього старіння виявляє багато прихованих дефектів.

Умови середовища, в яких знаходиться сенсор, як уже зазначалося, здійснюють істотний вплив на його характеристики. Наприклад, сенсор тиску повітря в більшості випадків зазнає не лише тиску повітря, але й інших впливів, таких як температура повітря і оточуючих елементів, вологість, вібрації, іонізуюча радіація, електромагнітні поля, гравітаційні сили тощо. Усі ці фактори можуть впливати на експлуатаційні характеристики сенсора, при цьому повинні враховуватись і статичні, і динамічні їх зміни. Вплив умов середовища іноді має складний характер, тобто вони змінюють функцію перетворення сенсора, наприклад, змінюють його підсилення. Прикладом може бути резистивний сенсор для вимірювання деформацій, чутливість якого зростає з температурою.

Стабільність середовища є дуже важливою вимогою. І конструктор, і інженер після впровадження повинні враховувати всі можливі зовнішні фактори, котрі можуть вплинути на експлуатаційну характеристику сенсора. Наприклад, піроелектричний сенсор для виявлення руху людей може генерувати помилкові сигнали викликані раптовою зміною температури довкілля, електростатичним розрядом, утворенням електричних зарядів (трибоелектричний ефект), вітром, шумом, вібрацією опорних конструкцій, електромагнітною інтерференцією тощо. Якщо фактори довкілля погіршують експлуатаційну характеристику сенсора, то необхідні додаткові міри для корекції, наприклад, поміщення сенсора у захисний кожух, використання електричного захисту, теплової ізоляції або термостатування.

Температурні фактори дуже важливі для більшості експлуатаційних характеристик сенсора, їх необхідно знати і враховувати. Робочий температурний діапазон задається найвищим і найнижчим значеннями температури (наприклад, від -20 С до +100 С), у межах яких зберігається визначена точність. Багато сенсорів зазнають змін на фізичному рівні при зміні температури, у результаті чого їхні характеристики можуть значно змінюватися. Саме тому часто використовують спеціальні елементи для компенсації температурних похибок. Температура також може впливати на динамічні характеристики сенсорів. Відносно швидка зміна температури може призвести до генерації сенсором помилкових вихідних сигналів.

У ряді випадків температуру сенсора може змінювати сам вихідний сигнал. Наприклад, сенсор температури на основі термістора вимагає проходження електричного струму, який зумовлює розсіювання тепла в приладі. Це призводить до похибок вимірювання температури.

Зміну температури сенсора відносно температури навколишнього середовища можна знайти за формулою





, (1)


де ρ – густина матеріалу сенсора; с – питома теплоємність; V – об'єм сенсора; – коефіцієнт термічного контакту сенсора з оточенням (питома теплопровідність); R – електричний опір; U – ефективна напруга вздовж опору.

Під надійністю розуміють здатність сенсора виконувати необхідні функції впродовж заданого періоду часу при встановлених умовах експлуатації. Надійність можна розглядати як імовірність того, що пристрій буде функціонувати безвідмовно встановлений час або певну кількість разів.

Необхідно відзначити, що надійність не є характеристикою дрейфової або шумової стабільності. Вона встановлює тимчасову чи неперервну відмову в роботі, тобто вихід за межі експлуатаційних характеристик сенсора за нормальних умов роботи.

Випробування під час приймання сенсорів в експлуатацію проводяться при комбінації найгірших можливих умов. Найефективнішим є метод прискореного випробування, який повторює роботу сенсора, забезпечуючи реальні навантаження, але стискуючи роки у тижні.

Один з можливих шляхів стиснення часу – використовувати ту саму характеристику, що й при дійсному робочому циклі, включаючи максимальне навантаження, але з розширеним діапазоном факторів довкілля (температури, вологості і тиску). Відповідно найвища і найнижча межі повинні бути значно ширшими, ніж за нормальних робочих умов.

Механічні удари і вібрації можуть використовуватися для відтворення несприятливих умов довкілля, особливо при оцінці надійності з'єднань, адгезії епоксидів тощо. Сенсор можуть піддавати прискоренню високого рівня за різними осями. Проводять також дослідження впливу гармонічних вібрацій в діапазоні, що містить його власну частоту.

Екстремальні умови зберігання сенсора можуть становити, наприклад, при +100 °С і -40 °С, впродовж 1000 годин за цих умов. Однак верхня і нижня межі температур повинні узгоджуватися з фізичною природою сенсора.

Вплив екстремальних умов можна досліджувати, піддаючи сенсор термічним ударам або періодичній зміні температури. Можна, наприклад, витримувати сенсор впродовж 30 хвилин при -40 °С, потім швидко переносити на 30 хвилин у температуру +100 °С, а після цього повертати його назад до низької температури. При цьому методі використовується певна кількість циклів, наприклад, 100 або 1000.

Для відтворення морських умов сенсори піддають дії атмосфери розпиленої солі на певний час, наприклад, на 24 години. Це допомагає виявити стійкість до корозії та структурні дефекти.


^ Порядок виконання роботи

  1. Взяти сенсор, запропонований викладачем, та виміряти номінальне значення його робочої характеристики. Наприклад, для тензорезистора – номінальне значення опору. Для цього зробити 5 незалежних вимірювань та розрахувати середнє значення, визначити абсолютну похибку вимірювання.

  2. Дослідити характеристики сенсора під впливом магнітного поля.

  3. Дослідити характеристики сенсора під впливом температури. Отримати температурну залежність електричного опору R(T) за 3 цикли. Побудувати залежність та розрахувати коефіцієнт термостабільності, що дозволить усунути вплив температури на характеристики сенсора.

  4. Зробити висновки про вплив температури та магнітного поля на сенсор.


Зміст звіту

1. Номер, назва та мета роботи.

2. Короткі теоретичні відомості.

3. Робоча таблиця з результатами вимірювань.

4. Побудовані експериментальні залежності.

5. Висновки.


^ КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

  1. Що називають стабільністю приладу?

  2. Які зовнішні фактори можуть впливати на стабільність сенсора?

  3. Назвати методи тестування сенсорів в екстремальних умовах?

  4. Як можна компенсувати вплив температури на робочі характеристики сенсорів?



^ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Мікроелектронні сенсори фізичних величин: Науково-навчальне видання: у 3 томах / за ред. З.Ю. Готри. – Львів: Ліга-Прес, 2003. – Т.1. – 595 с.

Лабораторна робота 4

Вивчення закономірностей поширення акустичних хвиль у п’єзоелектриках та їх практичне використання


^ Мета роботи – дослідження температурної залежності робочої частоти кварцевого резонатора та засвоїти методики використання кварцевого генератора як сенсора товщини тонкоплівкових зразків.

^ Елементи теорії. За функціональним призначенням п'єзоелектричні резонатори поділяються на дві групи: ті, що використовуються в генераторах, та ті, що використовуються у фільтрах. Особливістю резонаторів другої групи є жорсткі вимоги до частотної характеристики. Для усунення побічних резонансів при зсувових коливаннях по товщині використовується явище захоплення енергії, тобто локалізація енергії коливань у середній частині п'єзоелемента, в якій розміщені електроди резонатора. Розподіл амплітуди коливань вздовж перерізу пластини має дзвоноподібний характер (рис. 1), що забезпечує швидке загасання коливань до країв пластини.




^ Рисунок 1 - Розподіл амплітуди акустичних коливань


У кварцових резонаторах найчастіше використовуються пластини у вигляді диска, діаметр якого в 20-30 разів перевищує його товщину. Розміри металічних тонкоплівкових електродів п'єзоелемента набагато менші від розмірів пластин. Для пригнічення побічних резонансів п'єзоелементи іноді виконують у формі лінзи.

Резонатори характеризуються номінальною частотою та допустимими відхиленнями від цієї частоти.

Частота кварцового резонатора суттєво залежить від температури навколишнього середовища. З цієї причини при проектуванні та монтажі приладів, до складу яких входять кварцові резонатори, необхідно використовувати системи охолодження для забезпечення необхідних характеристик приладів.

Оскільки частота коливань кварцового резонатора залежить від маси (розмірів електродів), то резонатори знайшли широке використання як сенсори мікромаси у фізиці та хімії. Формула 1 показує відносну зміну частоти коливань Δf/f кварцової пластини внаслідок осадження на електрод речовини масою md:


, (1)

де mа – маса кварцової пластини.

Зв’язок між масою та товщиною плівки, що осаджується на поверхню одного з електродів, дозволяє використовувати кварцевий резонатор як сенсор товщини. У цьому випадку кристал кварца, у вигляді тонкого диска є основним перетворювальним елементом. Механічні коливання кристала збуджуються за допомогою зовнішнього генератора. Ненавантажений кристал коливається з номінальною частотою. Зі збільшенням товщини шару на поверхні кристала частота коливань зменшується.

Товщина плівки визначається за співвідношенням


, (2)


де Nq – частотна стала для зрізу кристала кварцу (Nq=1,668∙103 Гцм);

ρq – густина кварцу (ρq=2,65∙103 кг/м3); fq – резонансна частота кристала без покриття; f – резонансна частота після нанесення плівки; d – товщина плівки; ρf– густина плівки.

Це співвідношення в більшості випадків відповідає дійсності, але необхідно зауважити, що коефіцієнт пропорційності не є сталою величиною, оскільки із збільшенням товщини плівки змінюється як власна частота коливань кристала, так і густина конденсату. Оскільки ці зміни в інтервалі товщин одного вимірювання несуттєві, то ними нехтують.

У таблиці 1 наведено густину масивних матеріалів, що можуть бути використані для нанесення плівок у лабораторній роботі.


Таблиця 1 - Густина деяких масивних матеріалів

Матеріал

Символ

ρ, 103 кг/м3

Алюміній

Al

2,7

Вісмут

Bi

9,8

Вуглець

C

2,25

Хром

Cr

7,20

Мідь

Cu

8,93

Золото

Au

19,3

Свинець

Pb

11,3

Залізо

Fe

7,86

Нікель

Ni

8,91

Срібло

Ag

10,5

Титан

Ti

4,5


Порядок виконання роботи

  1. Одержати допуск до виконання роботи.

  2. Визначити розмірні та номінальні характеристики кварцового резонатора.

  3. Змонтувати схему генератора.

  4. Отримати температурну залежність частоти.

  5. На установці ВУП-5М на поверхні кристала отримати плівку із зазначеною викладачем товщиною.

  6. Перевірити результат за допомогою інтерферометра Линника.


Зміст звіту

  1. Назва, номер та мета роботи.

  2. Короткі теоретичні відомості.

  3. Ескіз резонатора з геометричними та номінальними характеристиками.

  4. Температурна залежність частоти.

  5. Результати розрахунку товщини плівок.

  6. Висновок.


^ КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

  1. Принцип роботи кварцового резонатора.

  2. Викласти методику використання кварцового резонатора як сенсора товщини.

  3. Назвати недоліки та переваги кварцового сенсора товщини.


^ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Мікроелектронні сенсори фізичних величин: Науково-навчальне видання: у 3 томах / за ред. З. Ю. Готри. – Львів: Ліга-Прес, 2003. – Т. 2. – 595 с.

  2. J. Onsgaard, W. Huang, E. Taglauer On the Use of the Quartz Crystal Microbalans for Surface Analysis in Combinations with Surface Sensitive Spectroscopies// Surface and Interface Analisis. – V. 9. – 1986. – P. 119-123.

Лабораторна робота 5

Використання напівпровідників як сенсорів освітлення


Мета роботи – вивчення принципу роботи напівпровідникових мікроелектронних приладів (фотодіода і фоторезистора) як сенсорів освітлення. Дослідження залежностей робочих характеристик приладів від інтенсивності світла і визначення чутливості сенсорів.

^ Елементи теорії. Фоторезистор – це напівпровідниковий резистор, опір якого залежить від освітлення. Існують різні види поглинання світла. При поглинанні напівпровідником квантів світла – фотонів – їх енергія передається електронам у валентній зоні, які під дією цієї енергії можуть переходити у зону провідності, змінюючи опір матеріалу. Тобто енергія квантів іде на іонізацію атомів. Чим більше квантів світла падає на напівпровідник, тим більша кількість електронів переходить з валентної зони у зону провідності, а провідність напівпровідника зростає.

Основним елементом фоторезистора є напівпровідниковий світлочутливий шар, який може бути виконаний у вигляді монокристалічної або полікристалічної пластини напівпровідника або у вигляді полікристалічної плівки, нанесеної на діелектричну підкладку. Як напівпровідниковий матеріал фоторезисторів найчастіше використовують сульфід кадмію, селенід кадмію або сульфід свинцю. На поверхню світлочутливого шару наносять металеві електроди. Іноді електроди наносять безпосередньо на діелектричну підкладку перед осадженням напівпровідникового шару.

Поверхню напівпровідникового світлочутливого шару, що розміщений між електродами, називають робочою площадкою. Фоторезистори виготовляють з робочими площадками у вигляді прямокутників, міандра та кільця. Площа робочих площадок різних фоторезисторів найчастіше становить від десятих частин до десятків квадратних міліметрів.

Пластину з нанесеним на неї напівпровідниковим світлочутливим шаром або пластину напівпровідника поміщають у пластмасовий чи металевий корпус. Напроти робочої площадки роблять вікно з прозорого матеріалу.

Залежно від призначення фоторезистори можуть бути одно- та багатоелементними, з охолодженням та без, відкриті та герметичні, виконані у вигляді окремих елементів або входити до складу інтегральних схем. Для розширення функцій їх доповнюють фільтрами, лінзами, підсилювачами, системами охолодження та ін. На рис.1, для прикладу, наведено конструкцію фоторезистора, що охолоджується.





Рисунок 1 - Фоторезистор, що охолоджується: 1 – вхідне вікно; 2 – фоточутливий елемент; 3 – контактна колодка; 4 – підсилювач; 5 – теплохід; 6 – електричні виводи; 7 – основа; 8 – терморезистор; 9 – термоелектричний охолоджувач


Вольт-амперні характеристики фоторезистора являють собою залежність струму через прилад (фотострум) від прикладеної напруги при постійній освітленості. Розрізняють два види струмів: світловий (при освітленні фоторезистора) і темновий (у темряві). В робочому діапазоні напруг вольт-амперні характеристики фоторезисторів при різних значеннях світлового потоку практично лінійні. Але у більшості плівкових фоторезисторів лінійність вольт-амперної характеристики порушується при малих напругах. Ця нелінійність пов’язана з контактними явищами між окремими зернами або кристалітами напівпровідника.

Світлова або люкс-амперна характеристика фоторезистора являє собою залежність фотоструму Iф=Iсв–Iтем від освітленості. Фоторезистори мають сублінійну світлову характеристику.

Спектральна характеристика фоторезистора – це залежність фотоструму від довжини хвилі падаючого світла на робочу площадку фоторезистора. Тому при виготовленні фоторезисторів враховується довжина хвилі, при якій буде працювати фоторезистор. Наприклад, інфрачервоні фоторезистори мають найбільшу чутливість у інфрачервоному спектрі світла.

Стала часу, або інерціальність, – це швидкість зміни опору фоторезистора при зміні освітленості.

Для визначення цієї швидкості спочатку фоторезистор на деякий час розміщують під джерелом світла, потім повністю затемнюють і вимірюють час, за який він відновить свій опір на 63% (у е раз).

Звичайні фоторезистори мають порівняно велику інерціальність, і тому можуть сприймати світлові імпульси з частотою декілька кілогерц.

Темновий опір – це опір фоторезистора за відсутності світла. Темновий опір прийнято вимірювати через 30 секунд після затемнення фоторезистора.

Питома чутливість – це відношення фотоструму до світлового потоку і прикладеної напруги.

Чутливість називають інтегральною, оскільки її вимірюють при освітленні фоторезистора світлом складного спектрального складу. Питомі інтегральні чутливості різних фоторезисторів набирають значення від 1 до 600 мА/(В∙лм).

Фотодіод – фотогальванічний приймач випромінювання без внутрішнього підсилення, його фоточутливим елементом є напівпровідниковий діод. Фотодіод поєднує у собі переваги напівпровідникових приладів (малі маса і розміри, великий термін служби, низькі напруги живлення, економічність) з більш високою чутливістю порівняно з електровакуумними фотоелементами і фоторезисторами.

Будова фотодіода аналогічна будові звичайного площинного напівпровідникового діода. Фотодіод виконаний так, що його р-n – перехід однією стороною повернений до скляного вікна, через яке відбувається освітлення, і захищений від впливів світла з інших боків.

Напруга джерела живлення прикладена до фотодіода у зворотному напрямку. Коли фотодіод не освітлено, у колі проходить зворотний (темновий) струм невеликої величини (10 – 20 мкА для германієвих і 1 – 2 мкА для кремнієвих діодів).

При освітленні фотодіода з'являється додаткова кількість електронів і дірок, внаслідок чого збільшується перехід неосновних носіїв заряду: електронів з р-області в n-область і дірок у зворотному напрямку. Це приводить до збільшення струму в електричному колі. При правильно підібраному опорі навантаження Rн і напрузі джерела живлення цей струм буде залежати лише від освітленості приладу, а спадання напруги на опорі можна розглядати як корисний сигнал, що впливає на інші елементи схеми.

Слід зазначити, що фотодіод можна включати у схеми як із зовнішнім джерелом живлення, так і без нього. Режим роботи фотодіода із зовнішнім джерелом живлення називають фотодіодним, а без зовнішнього джерела – вентильним.

У вентильному режимі у фотодіоді під дією світлового потоку виникає ЕРС, тому він не має потреби у зовнішньому джерелі напруги.

Розглянемо основні характеристики фотодіодів.

Вольт-амперна характеристика Ід = f(Uд) при Ф=const визначає залежність струму фотодіода від напруги на ньому при сталій величині світлового потоку. При повному затемненні через фотодіод проходить темновий струм, який дорівнює сумі зворотного струму насичення р-n - переходу і струму витоку. Із зростанням світлового потоку Ід збільшується. Характерною ознакою робочої області вольт-амперних характеристик є практично повна незалежність струму фотодіода від прикладеної напруги. Такий режим настає при зворотних напругах на діоді порядку 1 В. Оскільки темновий струм малий, то відношення струму при освітленні до темнового струму велике, що дуже важливо при індикації освітлення. Якщо зворотна напруга перевищить деяке допустиме значення, то в р-n - переході виникає ефект лавиноподібного розмноження носіїв заряду, що може призвести до виходу фотодіода з ладу.

Спектральна характеристика показує залежність спектральної чутливості від довжини хвилі падаючого на фотодіод світла.


^ Методичні вказівки

Оскільки залежності опору фоторезистора і струму чи напруги короткозамкненого фотодіода від освітленості мають характер, близький до лінійного, то цими приладами користуються як сенсорами освітленості.

У лабораторній роботі для визначення відносної інтенсивності світла використовують лабораторний стенд, що зображений на рис. 2. Відносну чутливість сенсора визначаємо за формулою


,

де Y – вихідна величина; І – інтенсивність світла.





Рисунок 2. – Схема лабораторного стенда: 1 – джерело світла (лазер, лампа розжарювання, природне освітлення); 2 – напівпрозоре дзеркало; 3 – сенсор (фоторезистор, фотодіод); 4 – мультиметр


^ Правила техніки безпеки

Під час виконання роботи використовуються газовий лазер і лампа розжарювання, що живляться від мережі 220 В, тому робота з обладнанням дозволяється лише у присутності інженера. Не допускається рух лазера і наведення когерентного випромінювання на відбиваючі поверхні, що може призвести до осліплення очей і втрати зору.


Порядок виконання роботи

  1. Одержати допуск до виконання роботи.

  2. Використовуючи як джерело світла природне освітлення, визначити стала часу фоторезистора та його темновий опір.

  3. Скласти схему (рис. 2) і побудувати залежність опору приладу від інтенсивноті освітлення, при цьому максимальну інтенсивність прийняти за одиницю.

  4. Визначити втрату світла та коефіцієнт прозорості ряду напівпрозорих дзеркал.

  5. Повторити пункти 2-4, взявши за джерела світла лампу розжарювання та генератор лазерного випромінювання.

  6. Використовуючи як джерело світла природне освітлення, визначити темновий струм фотодіода, що накоротко включений з мультиметром.

  7. Скласти схему (рис. 2) і побудувати залежність струму короткозамкненого фотодіода від інтенсивності освітлення, при цьому максимальну інтенсивність взяти за одиницю.

  8. Повторити пункти 4, 5.

  9. Побудувати залежність напруги короткозамкненого фотодіода від інтенсивноті освітлення, при цьому максимальну інтенсивність взяти за одиницю та повторити пункти 4, 5.

  10. Визначити і порівняти чутливості сенсорів для різних джерел світла та обрати оптимальний варіант.


Зміст звіту

  1. Назва, номер та мета роботи.

  2. Короткі теоретичні відомості.

  3. Залежності опору фоторезистора та струму і напруги короткозамкненого фотодіода від інтенсивності світла.

  4. Висновок.


^ КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

  1. Принцип роботи фоторезистора.

  2. Перелічити основні характеристики фоторезистора.

  3. Пояснити принцип роботи фотодіода.

  4. Перелічити основні характеристики фотодіода.

  5. Викласти методику використання напівпровідникових мікроелектронних приладів як сенсорів освітлення.


СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: справочник / В. И. Иванов, А. И. Аксенов и др. - Москва: Энергоатомиздат, 1988. – 196 с.

  2. Мікроелектронні сенсори фізичних величин: Науково-навчальне видання: у 3 томах / за ред. З. Ю. Готри. – Львів: Ліга-Прес, 2003. – Т. 2. – 595 с.

Схожі:

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки iconСписок І графік виконання лабораторних робіт з курсу “Мікроелектронні сенсори”
Література: Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» / укладачі: Н. М. Опанасюк, А. О....
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки iconГ. В. Стадник Робота з текстом у програмі Autocad методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу
Робота з текстом у програмі Autocad: Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу “Інформатика І основи комп'ютерного...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки iconМетодичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Основи пучкових і плазмових технологій» для студентів напряму підготовки
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт із курсу «Основи пучкових і плазмових технологій» / укладачі: Д. В. Великодний,...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки iconМетодичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Основи пучкових і плазмових технологій» для студентів напряму підготовки
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Основи пучкових і плазмових технологій» / укладачі: Д. В. Великодний,...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки iconМетодичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Електронна та іонна оптика» для студентів напряму підготовки
Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу «Електронна та іонна оптика» / укладачі: І. М. Пазуха, А. О. Степаненко. – Суми:...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки iconМетодичні вказівки до виконання лабораторних робіт
Теорія автоматичного керування. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів 3 курсу усіх форм навчання та слухачів...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки iconМетодичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Електротехнічні матеріали» для студентів спеціальності 090603
Методичні вказівки містять теоретичні відомості для підготовки до виконання лабораторних робіт, порядок виконання робіт, зміст звіту...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки iconМетодичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Електротехнічні матеріали» для студентів спеціальності 090603
Методичні вказівки містять теоретичні відомості для підготовки до виконання лабораторних робіт, порядок виконання робіт, зміст звіту...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки iconГ. В. Стадник Автоматизоване проектування поверхових планів І фасадів будівель Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу
Автоматизоване проектування поверхових планів І фасадів будівель: Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу “Інформатика...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Мікроелектронні сенсори» для студентів напряму підготовки iconГ. В. Стадник Геометричні побудови з використанням об'єктної прив'язки Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу
Геометричні побудови з використанням об'єктної прив'язки: Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу “Інформатика...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи