Министерство образования и науки российской федерации федеральное агентство по образованию технологический институт Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»
Скачать 489.88 Kb.
|
5.3. Акселерометры с нагревом газа Акселерометры предназначены для измерения изменяющейся скорости (ускорения) и обычно строятся по схеме сейсмографа, т.е. содержат инертную массу, закрепленную в корпусе на упругом подвесе. При изменении скорости корпуса происходит деформация подвеса (поскольку инертная масса запаздывает с изменением скорости по сравнению с корпусом), и эта деформация несет информацию об изменении скорости объекта. В акселерометре с нагревом газа в качестве инертной массы используется неравномерно нагретый газ, заключенный в герметичный корпус. Принцип работы такого акселерометра поясняет рис. 15.  Газ Рис. 15. Структура акселерометра с нагревом газа: 1 – нагреватель; 2 – измеритель температуры; 3 – диафрагма-подложка На дне герметичной полости, заполненной газом, расположена тонкая подложка, в центре которой размещен нагреватель. Если корпус прибора неподвижен, над нагревателем формируется симметричный факел нагреваемого газа. Неравномерность нагрева приводит к тому, что и плотность газа также распределена по объему неравномерно, но симметрично. Если теперь корпус прибора изменяет скорость в горизонтальной плоскости и получает ускорение а, то произойдет перераспределение газа по объему, а именно, более холодный (и плотный) будет прижиматься к стенке, противоположной направлению вектора ускорения. Таким образом, размещая на подложке в горизонтальной плоскости, по оси Х и Y попарно и симметрично относительно нагревателя измерители температуры, можно по «перекосу» температуры судить об изменении скорости прибора в соответствующих направлениях. Существенным преимуществом таких акселерометров, по сравнению с традиционными, является их высокая стойкость к большим (в десятки тысяч g) перегрузкам. Недостатки связаны в первую очередь с инерционностью тепловых процессов, а также с непредсказуемой реакцией прибора на хаотическое изменение его положения в пространстве. На основе измерения температуры могут строиться также датчики излучений, влажности и другие приборы. Контрольные вопросы 1. Представьте и проанализируйте цепочку преобразований, реализуемых в каталических сенсорах концентрации газов. 2. Проанализируйте особенности конструкций и технологии изготовления микроэлектронных сенсоров концентрации газов. 3. Поясните принцип действия и особенности реализации тепловых расходомеров. 4. Поясните физические основы и возможности реализации акселерометров, использующих нагрев газа. 6. БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Измерение температуры нагретого тела на расстоянии основано на приеме лучистой энергии, излучаемой его поверхностью. Известно, что любое тело, температура которого отличается от абсолютного нуля, является источником электромагнитного излучения. Это связано с тепловым движением зарядов в веществе. Все тела обладают также способностью поглощать лучистую энергию. Излучение нагретых тел охватывает длины волн порядка 0,3 – 100 мкм. Поскольку глаз человека чувствителен в основном к лучам в интервале длин волн 0,4 – 0,7 мкм, то большая часть теплового излучения лежит за пределами видимой части спектра и относится к так называемому инфракрасному излучению. Элемент поверхности абсолютно черного тела испускает лучи во всех направлениях. Количество тепла, излучаемого единицей поверхности в единицу времени, называется излучательной или лучеиспускательной способностью Е. Иногда ее называют также плотностью полусферического излучения. Тепловое излучение тела всегда содержит лучи с разной длиной волны. Для того чтобы иметь возможность изучать распределение энергии излучения по длинам волн, вводят понятие спектральной интенсивности излучения, которая определяется как излучательная способность тела для интервала длин волн dλ: Eλ = dE / dλ . Исследуя распределение теплового излучения по длинам волн, Макс Планк пришел к своей знаменитой квантовой теории (1900). Закон Планка для спектральной интенсивности теплового излучения абсолютно черного тела имеет вид  ,где индекс «0» присвоен абсолютно черному телу; С1 = 2πhc2 = 0,374 · 10 -15 Вт · м2 – первая постоянная Планка; С2 = 2hС/k = 1,4388 · 104 мкм · К – вторая постоянная Планка; h = 6,625 · 10-34 Дж · с – универсальная постоянная Планка; с = 2,9979 · 108 м/с – скорость света в вакууме; k = 1,380 · 10 -23 Дж/К – постоянная Больцмана; λ – длина волны; Т – абсолютная температура. Этот закон хорошо подтверждается экспериментально и дает наиболее общую характеристику излучения. Графически зависимость dEλ 0 / dλ представлена на рис. 16.  Рис. 16. Зависимость интенсивности теплового излучения от длины волны и температуры Как видно, абсолютно черное тело излучает при любой температуре в широком диапазоне волн. С возрастанием температуры максимум излучения смещается в сторону более коротких волн. Это явление описывается законом Вина: λмакс = 2898/Т [мкм, К], который легко получить на основании анализа максимума распределения Eλ0. Видимая часть спектра на рис. 16 расположена слева, т.е. тепловое излучение, максимум которого находится в области более длинных волн, обычно невидимо. Только при температурах тела 700 – 800 °С человеческий глаз начинает воспринимать темно-красное свечение, когда несколько увеличивается доля энергии в видимой части спектра. Даже при Т = 3000 К, соответствующей температуре вольфрамовой нити горящей электрической лампочки, видимая часть излучения составляет малую долю полной лучистой энергии. Только при температуре порядка 5500 К, соответствующей температуре поверхности Солнца, максимум излучения лежит в видимой части спектра. Закон Планка позволяет определить интенсивность излучения, отнесенную ко всему спектру, т.е. излучательную способность абсолютно черного тела. Для этого Eλ0 надо проинтегрировать по всем длинам волн: ∞ Е0 = ∫ Eλ0 dλ = σT4, 0 где σ = 5,6687 · 10-8 Вт/м2 · К4 – постоянная Стефана–Больцмана. Таким образом, Е0 = σT4 , т.е. излучательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры (закон Стефана–Больцмана). Этот закон опытным путем установлен Стефаном (1879) и теоретически обоснован Больцманом (1881) еще задолго до работ Планка. Уже отмечалось, что все реальные тела имеют излучательную способность меньшую, чем у абсолютно черного тела. Кроме того, эта способность может описываться зависимостями от температуры и длины волны, отличающимися от установленных для абсолютно черного тела. Твердые тела, обладающие шероховатой поверхностью, имеют, как правило, сплошной спектр излучения, мало отличающийся от спектра излучения абсолютно черного тела. Если эти спектры подобны, то реальное тело называют серым. С некоторым приближением большинство реальных тел можно рассматривать как серые. Для количественной характеристики излучательной способности реальных тел введено понятие степени черноты тела: ε = Q/Q0 = E/E0 ≤ 1, тогда для реального тела Е = εσT4 = εС0 (Т/100)4, где С0 = 5,6687 Вт/м2· К4. Степень черноты тела ε лежит в пределах 0 – 1. Значения ε, как правило, устанавливаются опытным путем. Таким образом, регистрируя энергию излучаемую нагретым телом и исследуя ее зависимость от длины волны, можно судить о температуре поверхности тела.
излучения Принцип действия приемников теплового излучения достаточно прост. Падающие на чувствительный элемент приемника инфракрасные лучи повышают его температуру, что приводит к изменению свойств материала в результате проявления тепловых эффектов, например, рассмотренных ранее термоэлектрического и терморезистивного. Исторически первым измерил тепловое излучение в 1800 г. Гершель, открывший инфракрасные лучи, используя для их обнаружения обычный термометр. Позднее для детектирования инфракрасного (ИК) излучения стали использовать и другие эффекты, например пироэлектрический, и так называемые газовые термометры (рассмотрены ниже). Чувствительные элементы всех этих приемников реагируют собственно на температуру как результат усреднения кинетической энергии огромного числа колеблющихся частиц. Приблизительно с 1930 г. в развитии ИК-техники появилось второе направление, основанное на использовании фотонных детекторов, в которых решающую роль играют квантовые свойства излучения и которые охватывают как ИК, так и оптический диапазон волн. В настоящее время эти направления развиваются параллельно, дополняя друг друга, и подробно изложены в [6]. В пособии вопросы фотонного детектирования не затрагиваются. Простейшая схема теплового приемника представлена на рис. 17. Детектор представлен чувствительным элементом с теплоемкостью С, соединенным тепловой перемычкой, обладающей теплопроводностью G, с теплоотводом, имеющим постоянную температуру Т. В отсутствие внешнего сигнала средняя температура детектора равна Т, причем она флуктуирует около среднего значения. При поступлении излучения на вход приемника повышение температуры можно найти, решая уравнение теплового баланса:  ,где ∆T – разность температур детектора и окружающей среды, обусловленная лучистым сигналом Ф; ε – излучательная способность детектора.  Рис. 17. Тепловая схема детектора Если предположить, что мощность падающего излучения является периодической функцией Ф = Ф0 еiωt , где Ф0 – амплитуда синусоидального сигнала, то решение дифференциального уравнения получим в виде  Первое слагаемое описывает переходный процесс и со временем экспоненциально стремится к нулю, поэтому им можно пренебречь без потери общности решения. Тогда для любого теплового приемника ∆T, обусловленная падающим потоком излучения, запишется как  .Уравнение поясняет некоторые свойства теплового приемника. Ясно, что необходимо обеспечить как можно большее значение ∆T. Для этого необходимо, чтобы теплоемкость детектора С и его тепловой контакт с окружающей средой (т.е. G) были как можно меньше. Взаимодействие теплового приемника с падающим излучением необходимо оптимизировать, в то время как все другие тепловые контакты с окружающей средой должны быть сведены к минимуму. Это означает, что желательно иметь детектор малой массы и обеспечить минимальную теплопроводность на теплоотвод. Ниже рассмотрены некоторые из способов дистанционного измерения температуры, реализуемые методами МСТ. 6.3. Сенсоры излучения на основе термоэлектрического и терморезистивного эффектов Рассмотренные ранее способы регистрации температуры и ее изменений, основанные на измерении термоЭДС или вариаций сопротивления материалов при колебаниях температуры, вполне могут быть применены для дистанционного измерения температуры. Поскольку для фиксации сравнительно малых потоков лучистой энергии, т.е. для повышения чувствительности, теплоемкость и масса таких сенсоров должны быть минимальными, то методы микроэлектроники и микросистемной техники для их реализации являются перспективными. Ограничимся рассмотрением нескольких примеров такого подхода. В [6] описана интегральная термобатарея, структура которой представлена на рис. 18, а. Для измерения термоЭДС используется контакт Al/p-Si. Полоски кремния р-типа сформированы в эпитаксиальном слое n-типа, толщиной 10 мкм. Алюминиевые пленочные перемычки связывают концы полосок кремния для формирования батареи, содержащей 44 пары горячих и холодных контактов. Для уменьшения теплоемкости сенсора исходная кремниевая подложка р-типа под батареей удаляется электрохимическим травлением вплоть до его остановки на переходе эпитаксиальный n-слой/р-подложка и образования диафрагмы десятимикронной толщины (рис. 18, б). Контакт n-типа является технологическим. Облучаемые горячие спаи батареи покрываются поглощающим слоем. Для уменьшения теплопроводности от горячего спая к массе кристалла край диафрагмы, прилегающий к горячим спаям, удаляется плазменным травлением, так что диафрагма приобретает форму консольно-закрепленной балки. Термобатареи генерируют ЭДС в ответ на облучение и не требуют тока питания для съема информации, что предотвращает паразитный нагрев и связанные с этим ошибки измерений. Поэтому сенсоры на их основе предпочтительнее для создания матриц больших размерностей и организации тепловизоров. В настоящее время известны опытные образцы тепловизоров с интегральной матрицей сенсоров размерностью до 128х128 элементов, совмещенной с системой считывания на ПЗС-структурах.  а  б Рис. 18. Схема Al/p-Si термопары в интегральном исполнении (а) и ее поперечное сечение (б) Другим сенсором приемников теплового излучения является терморезистор, обладающий большим температурным коэффициентом сопротивления и имеющий малую теплоемкость. Как отмечалось, в отличие от термопары, в нем необходим источник питания с жесткими требованиями к стабильности тока и напряжения. Практически для регистрации излучения используются болометры, ассортимент которых весьма широк, что связано с необходимостью создания устройств для приема тепловых излучений с разной длиной волны. Как правило, это одиночные приемники, а не элементы матриц. Ограничимся одним примером реализации такого устройства, технология изготовления которого является вариантом поверхностной микрообработки в МСТ. Его конструкция схематически представлена на рис. 19.  Рис. 19. Болометр с вакуумной (воздушной) тепловой изоляцией Главной конструктивной особенностью структуры является способ тепловой изоляции чувствительного элемента от подложки. Пленочный терморезистор сформирован на тонкой диафрагме (пленке), выполненной обычно из нитрида кремния. Эта диафрагма свободно висит над вакуумной полостью, глубиной до 2,5 микрометров, которая собственно и выполняет задачу тепловой изоляции. Эта полость создается на одном из последних этапов формирования всей структуры за счет удаления заполнявшего объем этой полости так называемого жертвенного слоя. Обычно его роль играет толстый слой окиси кремния, локально сформированный на кремниевой подложке на одном из первых этапов формирования структуры. Окись кремния сравнительно легко удаляется травлением растворами на основе фтористоводородной кислоты даже через узкие капилляры. Упрощенный вариант изготовления подобной структуры, отличающийся способом нанесения жертвенного слоя, представлен на рис. 20. В обоих случаях полупроводниковая кремниевая подложка не является пассивной, а содержит компоненты электронной схемы интерфейса для считывания информации с датчиков.  Рис. 20. Вариант технологического процесса формирования сенсора с вакуумной термической изоляцией В приведенных структурах микроболометры выполнены на диоксиде ванадия. Этот материал достаточно сложен в изготовлении из-за низкой стабильности диоксидов, связанной с обратимым фазовым переходом из металлического в полупроводниковое состояние в диапазоне температур 50 – 70 ºС. Но именно благодаря этому он имеет высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления порядка 4 %/ К, что позволяет получить сенсоры с очень высокой чувствительностью (в литературе приводятся цифры чувствительности порядка 105 В / Вт). Известны также болометры, использующие переход материала из обычного в сверхпроводящее состояние, однако их использование возможно только при криогенных температурах. |
Похожие:
 | Министерство образования и науки российской федерации технологический... Учебная программа разработана на основании примерной программы для общеобразовательный учреждений: Информатика. 2 – 11 классы / Составитель... |  | Министерство образования и науки российской федерации технологический... «Подвижные игры и эстафеты». Урок направлен на развитие координационных и кондиционных способностей детей младшего школьного возраста.... |
| Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное... Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию | | Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Федеральное... ... |
| Учреждение высшего профессионального образования «южный федеральный... Федерального компонента государственного стандарта основного общего образования (Москва, 2004 г.) | | Формирование и прием радиосигналов с использованием квадратурных схем преобразования частоты Работа выполнена на кафедре Радиоэлектронных средств защиты и сервиса (рэс зиС) Технологического института Федерального государственного... |
| Российской Федерации Федеральное агентство по образованию южный федеральный Университет В сборнике представлены доклады участников научно-методической конференции «Современные информационные технологии в образовании:... | | Министерство образования и науки российской федерации федеральное... Пермский филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования |
| Интуициология: начала начал науки о творчестве человека1 Федеральное агентство по образованию российской федерации фгоу впо «южный федеральный университет педагогический иститут» | | Основная литература. Раздел «Общие проблемы истории и философии науки» Федеральное агентство по образованию российской федерации фгоу впо «южный федеральный университет педагогический иститут» |
| Федеральное государственное автономное образовательное учреждение... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Обеспеченность электронными образовательными ресурсами Федеральное агентство по образованию российской федерации фгоу впо южный Федеральный Университет | | Современный русский язык Федеральное агентство по образованию российской федерации фгоу впо «южный федеральный университет педагогический иститут» |
| Рабочая Программа учебной дисциплины (модуля) Федеральное агентство по образованию российской федерации фгоу впо южный Федеральный Университет | | Триз – технология творчества Федеральное агентство по образованию российской федерации фгоу впо «южный федеральный университет педагогический иститут» |
