Акселерометры. Емкостные акселерометры

Вопросы к зачету «Компоненты МНТ»

Определение микросистемной техники. Основные части микросистем.

МСТ  -сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с ранее недостижимыми массогабаритными, энергетическими показателями и функциональными параметрами, создаваемые интегрально-групповыми экономически эффективными процессами микро- и нанотехнологии

Преимущества от снижения размеров МСТ

- снижение массогабаритных параметров

- высокий уровень свойств, недостижимом в обычных устройствах

 - повышение прочности деталей

- увеличение быстродействия устройств

- снижение цены конечного изделия

- повышения надежности и повторяемости характеристик устройств

- расширение зоны применимости устройств

- снижение энергопотребления

Микросистемная техника (МСТ) – миниатюрные устройства, включающие в свой состав три компонента: микросенсор, микроактюатор и электронную систему управления.

 Сенсор (или датчик) – устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и преобразующее внешнее воздействие в электрический или оптический сигнал.

Актюатор – микроисполнительное устройство, микродвигатель, микродвижитель. Некоторый возбуждающий механизм, который приводит в действие какое-либо устройство посредством преобразования одного вида энергии в другой (в механическую).

Трансдьюсер – преобразователь, который преобразовывает одну форму энергии в другую.

Технологические предпосылки формирования МСТ в отдельное направление техники

МСТ -сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с ранее недостижимыми массогабаритными, энергетическими показателями и функциональными параметрами, создаваемые интегрально-групповыми экономически эффективными процессами микро- и нанотехнологии

Можно выделить следующие стимулирующие факторы развития микросистемной техники как научно-технического направления:

• появление в 1982 г. статьи сотрудника фирмы IBM К.Петерсона, рассматривающей кремний не только как полупроводниковый, но и как конструкционный механический материал;

• разработка в конце 70-х годов на ряде фирм (Хоневелл, Кулите) промышленной технологии объемного жидкостного травления кремния для формирования мембран, струн, балок в датчиках давления, вибрации и ускорения;

• разработка в конце 70-х – начале 80-х годов в Центре ядерных исследований в Карлсруэ (Германия) технологии формирования объемных структур с использованием синхронного излучения, гальванического осаждения и прецизионного литья полимерами, получившей название LIGA- технология (LIGA – аббревиатура немецких слов litographie – литография, galvanoformung — гальванообработка, abformung — прессование).

LIGA-технология: сущность процесса формирования объемных  структур заключается в использовании рентгеновского излучения от синхротрона для получения топологических картин с глубокими стенками в полимерном материале (рентгенорезисте). После формирования осуществляется электрохимическое осаждение металла в образовавшуюся в полимере полость. Удаление полимера обеспечивает получение металлической матрицы заданной формы, с

помощью которой конфигурация многократно воспроизводится литьем или штамповкой пластика, или формовкой сырой керамической массы с последующим отжигом.

Основным недостатком и причиной ограниченного распространения данной технологии является необходимость использования синхротрона, уникального оборудования некоторых ядерных исследовательских центров. 

Элементы и компоненты микросистемной техники. Примеры

Элемент микросистемы: часть микросистемы или функционального микроустройства, реализующая определенную функцию в составе функционального устройства или микросистемы, которая не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации.

Примеры

 Микроподвес: элемент микросистемы, соединяющий две движущиеся части микросистемы.

Микробалка: элемент микросистемы с одним закрепленным концом.

Микробалка с двухсторонней фиксацией: элемент микросистемы с двумя закрепленными или опертыми концами.

Микроопора: элемент микросистемы, соединяющий подвижную часть конструкции с неподвижной основой -подложкой.

Компонент микросистемы: часть микросистемы или функционального устройства, реализующая определенную функцию в составе функционального устройства или микросистемы, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации.

Примеры

Микропривод: компонент микросистемы, используемый для приведения микрообъектов в состояние гармонических колебаний или вращений под воздействием управляющего сигнала.

Микротрансмиссия: компонент микросистемы, используемый для передачи вращения от микродвигателя к потребителям энергии.

Микроредуктор: компонент микросистемы, использующий зубчатую или червячную передачу для управляемого изменения угловой скорости и момента вращения микрообъекта.

Определение размерного эффекта. Преимущества от снижения размеров МСТ

Размерные эффекты (РЭ) – значительное изменение физических характеристик объекта при неизменном химическом составе в результате варьирования:

• его внешних размеров

• размеров морфологических
  или структурных единиц

Эффект масштабирования изделий МСТ заключается в изменении характера эффективности различных видов воздействий на объект, вызванном уменьшением размеров объекта

 На свойства материалов микрообъектов влияют также внутренняя структура материала и поверхности.

Преимущества от снижения размеров МСТ

- снижение массогабаритных параметров

- высокий уровень свойств, недостижимый в обычных устройствах

 - повышение прочности деталей

- увеличение быстродействия устройств

- снижение цены конечного изделия

- повышения надежности и повторяемости характеристик устройств

- расширение зоны применимости устройств

- снижение энергопотребления

К положительному влиянию масштабного эффекта для МЭМС следует отнести возрастание по мере изменения размеров динамических характеристик объекта, прямо влияющих на быстродействие устройства.

Из-за того , что в деталях микроскопических устройств объем объекта пропорционален третьей степени его размера, а площадь поверхности - второй степени, влияние поверхностной силы становится сильнее влияния массовой (объемной) силы.

Поэтому доминирующей силой при движении микрообъекта является не сила инерции, а электростатическая сила или сила вязкости.

 Например, масштабный эффект в МЭМС может быть обусловлен близостью характерных размеров структурных составляющих материала деталей, самих деталей и адсорбированных их поверхностью слоев влаги.

Болометры

Болометры – приборы для измерения энергии электромагнитного излучения (главным образом инфракрасного), основанного на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента в результате поглощения им энергии измеряемого излучения (от греч. βολη – bole – луч).

Болометр относится к тепловым приемникам излучения, которые в принципе должны поглощать и преобразовывать в тепло все падающее на них излучение.

Болометры служат для измерения мощности интегрального (суммарного) излучения, а вместе со спектрометром – для измерения спектрального состава излучения.

Термочувствительный элемент обычно представляет собой тонкий (0,1…1 мкм) слой металла (никель, золото, висмут и др.), поверхность которого покрывается слоем черни, имеющим большой коэффициент поглощения в широкой области длин волн, или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления (0,04…0,06°С и более), или же диэлектрик

Под действием потока радиации температура чувствительного элемента изменяется на некоторую величину ΔТ, что приводит к соответствующему изменению сопротивления болометра на ΔR.

Болометр характеризуется

- коэффициентом преобразования энергии излучения в электрическое напряжение или чувствительностью r,

-  сопротивлением R,

-  порогом чувствительности и

-  постоянной времени t, служащей мерой времени установления его стационарного режима при облучении

Варианты изготовления болометров

Металлические болометры обычно изготавливают либо из тонких фольг (например, никеля), либо напылением металла в вакууме на тонкую плёнку или твёрдую подложку. Выбор делают в зависимости от желаемого значения t.

Полупроводниковые болометры изготавливают чаще всего прессованием окислов никеля, марганца и кобальта или испарением некоторых полупроводников в вакууме на подложку. Наиболее чувствительны охлаждаемые до очень низкой температуры полупроводниковые болометры, изготовленные из германия, легированного галлием.

Весьма чувствительны также сверхпроводящие болометры с чувствительным элементом в виде тонкой проволоки, которая находится при температуре перехода в сверхпроводящее состояние и по которой протекает измерительный ток

Акселерометры. Емкостные акселерометры

Акселерометры – приборы для измерения ускорений

Акселерометры - устройства с одной степенью свободы, в состав которых входят: эталонная (инерционная) масса, упругая поддерживающая система (пружина) и рама, обладающая демпфирующими свойствами

Акселерометр относится к динамическим чувствительным элементам.

Для определения динамических характеристик датчиков на их вход необходимо подавать переменные внешние сигналы и следить за реакцией на выходе.

Емкостные акселерометры

Движение инерционной массы акселерометра отстает от движения корпуса. Основная цель датчика ускорений заключается в детектировании перемещения этой массы относительно корпуса устройства и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал.

Поэтому другой составной частью всех акселерометров является детектор перемещений