Преимущества и недостатки монокристаллического кремния, а также датчиков давления на основе конденсаторной и диффузионной технологий
Thread Content
Если кто-то знает преимущества и недостатки монокристаллического кремния, а также датчиков давления на основе конденсаторной и диффузионной технологий, и различия в сферах их применения, пожалуйста, расскажите об этом подробно. Благодарю.
Ответ основан на статье из Байду Энциклопедии «Различия между конденсаторными и диффузионно-кислородными датчиками давления». В конденсаторных датчиках имеется сенсорный элемент с переменной емкостью, называемый камерой «δ». Этот датчик представляет собой полностью закрытый компонент. Давление в процессе и разница давлений передаются через изоляционную мембрану и силиконовое масло, находящееся внутри устройства, к датчиковой мембране, что приводит к её смещению. Разница емкостей между датчиковой мембраной и двумя электродами преобразуется электронными компонентами в электрический сигнал силой (4–20) мА в двухпроводной форме. Электронная усилительная схема состоит из демодулятора, генератора колебаний, усилителя управления колебаниями, детектора тока, усилителя управления током, контроллера ограничения тока, эталонного напряжения, стабилизатора напряжения и т. д. С их помощью осуществляется детектирование сигнала емкости, что позволяет контролировать частоту колебаний, а затем она преобразуется в токовый сигнал. Характеристики, преимущества: 1. Возможность достижения чрезвычайно низкого давления. 2. Высокая устойчивость к перегрузкам. 3. Высокая точность. Недостатки: отсутствие преимуществ при измерении высокого давления; высокие требования к технологии упаковки датчика. Принцип работы: прибор преобразует сигналы температуры, поступающие от датчика температуры, в электрические сигналы. Затем предварительный усилитель усиливает и фильтрует эти сигналы, после чего они передаются в модуль преобразования А/Д процессора для преобразования аналоговых значений в цифровые. В заключение процессор обрабатывает данные, отображает их и выдает сигналы PWM. Исследуемая среда —► датчик —► электронная схема —► выходной сигнал. Давление в исследуемой среде напрямую воздействует на керамическую/диффузионно-кистовую мембрану датчика, что приводит к незначительному смещению мембраны, пропорциональному давлению среды. В нормальных условиях максимальное смещение мембраны не превышает 0,025 миллиметра. Электронная схема измеряет это смещение, а затем преобразует его в стандартный промышленный измерительный сигнал, соответствующий данному давлению. При перенапряжении диафрагма прилегает непосредственно к прочной керамической основе/диффузионному кремнию. Поскольку зазор между диафрагмой и основой составляет всего 0,1 мм, максимальное смещение диафрагмы при перенапряжении также равно 0,1 мм. Таким образом, с точки зрения конструкции обеспечивается отсутствие чрезмерной деформации диафрагмы. Этот датчик обладает высокой стабильностью и надежностью. Основные характеристики датчиков давления на основе диффузионного кремния: 1. Высокая стабильность – отклонение не превышает 0,1% от полной шкалы в течение года. 2. Небольшое отклонение температуры — благодаря отсутствию посреднической жидкости в измерительном элементе датчик обеспечивает высокую точность измерений.
3. Высокая надежность — использование крупномасштабных ИС обеспечивает высокую надежность схемы и сильную стойкость к помехам. 4. Широкая применимость — у продукта есть множество моделей и различные способы подключения, что позволяет использовать его для измерения различных сред в промышленности. 5. Простота установки и обслуживания: разумная конструкция изделия, небольшие размеры и малый вес позволяют устанавливать его в любом месте. Недостатки: при температуре ниже 0°C стабильность температуры существенно снижается; устройство не может выдерживать динамические нагрузки; мембрана легко повреждается. Различия между диффузионными кремниевыми датчиками давления и емкостными датчиками давления. В середине 1990-х годов американские компании Icscnsor и Nova использовали две передовые технологии – использование кремниевых материалов и специальных пластин – для производства новых диффузионных кремниевых датчиков давления. Благодаря этому были созданы датчики с высокой точностью, низким уровнем повторяемости и устойчивостью к коррозии. Давление в процессе передается на мембрану датчика через изоляционную мембрану и герметичное кремнийовое масло; в то же время давление на контрольной стороне (атмосферное давление) воздействует на другую сторону мембраны. Таким образом, разница давлений по обе стороны мембраны создает поле давления, которое приводит к сжатию части мембраны. В другой части, отвечающей за растяжение, в зонах сжатия и растяжения расположены по два датчика напряжения, которые позволяют определять изменения сопротивления под действием давления; таким образом сигналы давления преобразуются в электрические сигналы. Кремний с диффузионными структурами не может эффективно функционировать при температурах ниже нуля градусов и выше 85°C; кроме того, он не подходит для использования при высоких давлениях свыше 20 МПа. Трансдьюсеры давления на основе конденсаторных пленок, а также трансдьюсеры абсолютного давления на этой основе существуют уже более 20 лет – с 1980-х годов. Благодаря высокой точности, стойкости к коррозии и загрязнениям, а также хорошей стабильности, они считаются идеальными приборами для измерения давления в условиях низкого вакуума по всему миру. Американская компания M.K.S является одним из ведущих производителей конденсаторных датчиков давления в мире. Ее продукция находит применение в различных сферах гражданской промышленности, а также играет важную роль в таких отраслях, как космическая и ядерная промышленность. Этот датчик давления работает на принципе изменения емкости под действием давочного разницы, возникающей в результате деформации эластичной мембраны. Он состоит из детали для обнаружения давления и схемы преобразования сигнала, как показано на рисунке 7-34. Деталь для обнаружения давления включает в себя две камеры: камеру вакуума и камеру для измерения давления. Вакуумная камера имеет полностью герметичную конструкцию. После проверки на наличие утечек с помощью масс-спектрометра камера подвергается длительной процедуре выпуска газов; в конце этой процедуры выпускные трубы герметизируются. Для устранения оставшихся газов используется специальное вещество, что позволяет поддерживать высокий уровень вакуума. Фиксированные электроды расположены внутри вакуумной камеры; провода от электродов выходят наружу. Датчик располагается между камерой с высоким уровнем вакуума и камерой, соединенной с системой, в которой измеряется уровень вакуума. Датчик представляет собой подвижный электрод; вместе с фиксированным электродом он образует плоскостной конденсатор с определенной емкостью. Измеряемое давление в низком вакууме попадает в камеру измерения через отверстие для измерений; это приводит к деформации диафрагмы измерения, что изменяет расстояние между ней и фиксированной пластиной, а значит, меняется и значение емкости. Разные значения давления в условиях низкого вакуума определяют разные значения емкости. В конце сигнал, связанный с емкостью, передается в блок преобразования схемы. Этот блок преобразует сигнал, связанный с емкостью, путем его изменения, обработки и усиления, в сигнал напряжения или тока стандартного формата. Этот сигнал пропорционален давлению в вакууме. Этот тип датчиков давления обеспечивает высокую чувствительность при измерении разницы давлений, а также стабильность нулевой точки. Хорошие характеристики динамического отклика, высокая адаптивность; обычно используется для измерения статического давления.
3. Высокая надежность — использование крупномасштабных ИС обеспечивает высокую надежность схемы и сильную стойкость к помехам. 4. Широкая применимость — у продукта есть множество моделей и различные способы подключения, что позволяет использовать его для измерения различных сред в промышленности. 5. Простота установки и обслуживания: разумная конструкция изделия, небольшие размеры и малый вес позволяют устанавливать его в любом месте. Недостатки: при температуре ниже 0°C стабильность температуры существенно снижается; устройство не может выдерживать динамические нагрузки; мембрана легко повреждается. Различия между диффузионными кремниевыми датчиками давления и емкостными датчиками давления. В середине 1990-х годов американские компании Icscnsor и Nova использовали две передовые технологии – использование кремниевых материалов и специальных пластин – для производства новых диффузионных кремниевых датчиков давления. Благодаря этому были созданы датчики с высокой точностью, низким уровнем повторяемости и устойчивостью к коррозии. Давление в процессе передается на мембрану датчика через изоляционную мембрану и герметичное кремнийовое масло; в то же время давление на контрольной стороне (атмосферное давление) воздействует на другую сторону мембраны. Таким образом, разница давлений по обе стороны мембраны создает поле давления, которое приводит к сжатию части мембраны. В другой части, отвечающей за растяжение, в зонах сжатия и растяжения расположены по два датчика напряжения, которые позволяют определять изменения сопротивления под действием давления; таким образом сигналы давления преобразуются в электрические сигналы. Кремний с диффузионными структурами не может эффективно функционировать при температурах ниже нуля градусов и выше 85°C; кроме того, он не подходит для использования при высоких давлениях свыше 20 МПа. Трансдьюсеры давления на основе конденсаторных пленок, а также трансдьюсеры абсолютного давления на этой основе существуют уже более 20 лет – с 1980-х годов. Благодаря высокой точности, стойкости к коррозии и загрязнениям, а также хорошей стабильности, они считаются идеальными приборами для измерения давления в условиях низкого вакуума по всему миру. Американская компания M.K.S является одним из ведущих производителей конденсаторных датчиков давления в мире. Ее продукция находит применение в различных сферах гражданской промышленности, а также играет важную роль в таких отраслях, как космическая и ядерная промышленность. Этот датчик давления работает на принципе изменения емкости под действием давочного разницы, возникающей в результате деформации эластичной мембраны. Он состоит из детали для обнаружения давления и схемы преобразования сигнала, как показано на рисунке 7-34. Деталь для обнаружения давления включает в себя две камеры: камеру вакуума и камеру для измерения давления. Вакуумная камера имеет полностью герметичную конструкцию. После проверки на наличие утечек с помощью масс-спектрометра камера подвергается длительной процедуре выпуска газов; в конце этой процедуры выпускные трубы герметизируются. Для устранения оставшихся газов используется специальное вещество, что позволяет поддерживать высокий уровень вакуума. Фиксированные электроды расположены внутри вакуумной камеры; провода от электродов выходят наружу. Датчик располагается между камерой с высоким уровнем вакуума и камерой, соединенной с системой, в которой измеряется уровень вакуума. Датчик представляет собой подвижный электрод; вместе с фиксированным электродом он образует плоскостной конденсатор с определенной емкостью. Измеряемое давление в низком вакууме попадает в камеру измерения через отверстие для измерений; это приводит к деформации диафрагмы измерения, что изменяет расстояние между ней и фиксированной пластиной, а значит, меняется и значение емкости. Разные значения давления в условиях низкого вакуума определяют разные значения емкости. В конце сигнал, связанный с емкостью, передается в блок преобразования схемы. Этот блок преобразует сигнал, связанный с емкостью, путем его изменения, обработки и усиления, в сигнал напряжения или тока стандартного формата. Этот сигнал пропорционален давлению в вакууме. Этот тип датчиков давления обеспечивает высокую чувствительность при измерении разницы давлений, а также стабильность нулевой точки. Хорошие характеристики динамического отклика, высокая адаптивность; обычно используется для измерения статического давления.