Название: Микросистемные датчики физических величинАвтор: Вавилов В. Д. , Тимошенков С. П. , Тимошенков А. С.
Издательство: Техносфера
Год: 2018
Cтраниц: 550 с. : ил.,табл., схем.
Формат: pdf (OCR)
Размер: 17 мб
Язык: русский
В книге изложены современные принципы построения, методы расчета и проектирования микросистемных датчиков физических величин и измерительных систем на их основе. Приведены примеры разработок новых изделий. Направления «Электроника и наноэлектроника», «Радиотехника», «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», «Информатика и вычислительная техника», «Конструирование и технология электронных средств» предназначены для студентов.
Также книга может быть полезной студентам смежных специальностей, аспирантам, инженерам и научным работникам, связанным с созданием первичных приборов информации на интегральных принципах.
СОДЕРЖАНИЕ:
Введение 9
ЧАСТЬ 1 12
Глава 1. Конструкторско-технологические вопросы разработки микросистемных датчиков 12
1.1. Краткий исторический очерк развития микросистемой техники 12
1.2. Кремний — универсальный материал для микросистемой техники 14
1.3. Сухое травление кремния 23
1.4. Методы глубокого вертикального травления кремния 30
1.5. Пористый кремний в микросистемотехнике 36
1.6. Обобщенный закон Гука для анизотропных сред 41
1.7. Чувствительные элементы интегральных датчиков 43
1.8. Корпусирование интегральных датчиков 49
Вопросы для самопроверки 56
Глава 2. Элементы и узлы микросистемных датчиков 57
2.1. Емкостный преобразователь перемещений 57
2.2. Метод трех генераторов для измерения микроперемещений 60
2.3. Исключение влияний друг на друга осевого и углового движений микромаятника 61
2.4. Преобразователь перемещений на полевом эффекте 62
2.5. Магниторезистивный преобразователь перемещений 71
2.6. Магниторезистивный датчик перемещений на гигантском магниторезистивном эффекте 72
2.7. Оптоэлектронный преобразователь перемещений 75
2.8. Датчик перемещений на принципе автоэлектронной эмиссии 76
2.9. Диффузионные и эпитаксиальные тензопреобразователи 78
2.10. Преобразователи на поверхностных акустических волнах 84
2.11. Струнные тензопреобразователи 86
Вопросы для самопроверки 88
Глава 3. Параметры и характеристики микросистемных датчиков 90
3.1. Расчет жесткостей однослойных упругих подвесов с криволинейными обводами 90
3.2. Расчет жесткостей многослойных упругих подвесов микросистемных датчиков 95
3.3. Оценка продольной устойчивости упругих подвесов интегральных маятников акселерометров 99
3.4. Противоударный демпфер для микросистемных акселерометров 102
3.5. Газодинамическое демпфирование интегральных подвижных узлов 103
3.6. Демпфирование перфорированных чувствительных элементов 110
3.7. Оптимизация газодинамического демпфирования подвижного узла 112
3.8. Магнитоэлектрическое демпфирование в микросистемных акселерометрах и гироскопах 113
3.9. Гистерезисное демпфирование в интегральных датчиках 115
3.10. Демпфирование с помощью электрического контура 118
3.11. Демпфирование с помощью механических поглотителей виброэнергии 122
Вопросы для самопроверки 128
Глава 4. Микросистемные обратные преобразователи 129
4.1. Электростатический преобразователь силы 129
4.2. Диамагнитный преобразователь силы 131
4.3. Магнитоэлектрический преобразователь силы 134
4.4. Электромагнитный преобразователь силы 144
Вопросы для самопроверки 147
Глава 5. Интегральные термопреобразователи 148
5.1. Линеаризация R-T-характеристики полупроводниковых терморезисторов 148
5.2. Интегральные датчики температуры 150
5.3. Интегральный термоанемометр постоянной температуры 154
5.4. Интегральный термоанемометр с переносом тепловых меток 159
Вопросы для самопроверки 164
Глава 6. Передаточные функции микросистемных датчиков 165
6.1. Применение вариационного принципа Гамильтона для определения передаточных функций микромеханически чувствительных узлов 165
6.2. Построение передаточных функций электрических схем 169
6.3. Электрические схемы типовых динамических звеньев 171
Глава 7. Схемотехника микросистемных датчиков 174
7.1. Линейные электрические схемы интегральных датчиков 174
7.2. Нелинейные электрические схемы интегральных датчиков 183
7.3. Источник опорного напряжения 189
7.4. Релаксационный преобразователь сопротивления тензодатчиков в частоту 194
7.5. Преобразователь напряжения в частоту 197
7.6. Интегральные датчики с цифровым выходом 199
7.9. Микроконтроллеры в интегральных датчиках 205
Вопросы для самопроверки 208
Глава 8. Интегральные акселерометры 210
8.1. Акселерометр с электростатической обратной связью 210
8.2. Акселерометр с магнитоэлектрической отрицательной обратной связью 226
8.3. Акселерометр с электромагнитной обратной связью 237
8.4. Акселерометр с импульсной обратной связью 241
8.5. Осевой микросистемный акселерометр 245
8.6. Угловой микросистемный акселерометр 247
8.7. Емкостный акселерометр прямого измерения с гребенчатой конструкцией чувствительного элемента 252
8.8. Оценка погрешности интегральных акселерометров от воздействия вибровозмущений 255
8.9. Аппаратные методы снижения погрешностей акселерометров 257
Вопросы для самопроверки 262
Глава 9. Микрогироскопы 263
9.1. Гироскопический принцип измерения угловой скорости 263
9.2. Математическая модель чувствительного элемента микросистемного ДУС с двухкоординатным подвесом 269
9.3. Математическая модель чувствительного элемента микросистемного ДУС типа «угловой вибратор» 278
9.4. Математическая модель чувствительного элемента микросистемного ДУС типа «линейный вибратор» 286
9.5. Камертонный микрогироскоп 290
9.6. Микрогироскоп с резонирующим кольцом 294
9.7. Влияние анизотропии свойств кремния на параметры кольцевого резонатора 305
9.8. Математическая модель микросистемного гироскопа с обращенным кардановым подвесом ротора 312
Вопросы для самопроверки 318
Библиографический список для первой части 319
ЧАСТЬ II 322
Глава 10. Микросистемные пьезорезонансные датчики 322
10.1. Физические и информационные свойства кварца 322
10.2. Общая математическая модель для пьезоэлектрических сред 328
10.3. Пьезорезонансный датчик времени 331
10.4. Кварцевые микровесы 333
10.5. Пьезорезонансный датчик температуры 337
10.6. Пьезоэлектрический виброакселерометр 338
10.7. Пьезорезонансный датчик перемещения 339
10.8. Конструктивные схемы пьезоэлектрических гироскопов 341
10.9. Цилиндрический пьезогироскоп 344
10.10. Пьезогироскоп типа «гантель» 347
10.11. Дисковый пьезогироскоп 350
Вопросы для самопроверки 357
Глава 11. Микромагнитометры 359
11.1. Датчик магнитной индукции 359
11.2. Микроэлектромеханический датчик магнитного поля 362
11.3. Устройство для измерения индукции переменного магнитного поля 365
11.4. Импульсный магнитометр 366
11.5. Магнитометр на основе анизотропного магниторезистивного эффекта 368
11.6. Магнитометр на основе p-n-перехода 373
11.7. Магнитометр на ПАВ-структуре 375
Вопросы для самопроверки 376
Глава 12. Интегральные датчики давлений и влажности 378
12.1. Расчет прогибов и деформаций интегральных чувствительных элементов датчиков давлений 378
12.2. Динамическая модель интегральной мембраны с жестким центром 381
12.3. Определение параметров передаточной функции интегральной мембраны 385
12.4. Условия проявления мембранного эффекта 388
12.5. Датчик давлений с емкостным преобразователем 390
12.6. Датчик давлений с электростатической обратной связью 397
12.7. Датчик давлений с магнитоэлектрической обратной связью 400
12.8. Датчики давления с полным тензорезисторным мостом 404
12.9. Сверхминиатюрный датчик акустических давлений 409
12.10. Интегральный высотомер 411
12.11. Резонаторный датчик давлений 412
12.12. Датчик влажности на полевом эффекте 416
12.13. Гигрометр на основе оксида алюминия 419
12.14. Интегральный СВЧ-влагомер 420
Вопросы для самопроверки 421
Глава 13. Интегральные расходомеры жидкостей и газов 423
13.1. Термоанемометрический расходомер 423
13.2. Вихревой расходомер 426
13.3. Доплеровский расходомер 427
13.4. Компенсационный расходомер жидкостей и газов 429
13.5. Электромагнитный расходомер 433
Глава 14. Микроактюаторы. Тепловые микроактюаторы 440
14.1. Классификация микроактюаторов 440
14.2. Электростатические микроактюаторы 441
14.3. Тепловые микроактюаторы 444
14.4. Применение тепловых микроактюаторов 448
14.5. Тепловые микроактюаторы на основе линейного расширения 451
14.6. Тепловые актюаторы на основе многослойных балок 452
14.7. Конструкции теплового микроактюатора на основе биморфной структуры 453
14.8. Расчет стрелы прогиба биморфной балки в зависимости от температуры 455
14.9. Распределения перегрева по длине балки микроактюатора 459
Глава 15. Оптимизация характеристик интегральных датчиков 466
15.1. Оптимизация конструктивных параметров по динамическому критерию 466
15.2. Оптимизация по квадратичному критерию качества 469
15.3. Оптимизация конструктивных параметров датчиков с помощью метода неопределенных множителей Лагранжа 471
15.4. Оптимизация отношения сигнал/шум 476
15.5. Подавление тепловых шумов полупроводников 477
15.6. Защита микросистемных чувствительных элементов от вибрационной и ударной нагрузки 479
15.7. Статистический подход к оптимизации передаточных функций интегральных датчиков 483
15.8. Применение фильтра Калмана для снижения случайных погрешностей микродатчиков 488
Вопросы для самопроверки 492
Глава 16. Испытания и тарировка интегральных датчиков 493
16.1. Многофакторные испытания статических характеристик акселерометров 493
16.2. Калибровка интегральных датчиков по экспериментальным данным 496
16.3. Идентификация передаточных функций интегральных датчиков по экспериментальным АЧХ 497
16.4. Испытания интегральных датчиков давлений 503
16.5. Испытания интегральных датчиков перемещений 505
16.6. Испытания интегральных термоанемометров 506
Вопросы для самопроверки 509
Глава 17. Надежность элементов и компонентов микроэлектромеханических систем 510
17.1. Виды и категории испытаний 510
17.2. Оценка надежности микромеханических акселерометров 512
17.3. Анализ механических напряжений 517
17.4. Оценка надежности ММА с электронным преобразователем 521
17.5. Оценка надежности чувствительного элемента микромеханического гироскопа 526
Библиографический список для второй части 541
Приложения
ЧАСТЬ 1 12
Глава 1. Конструкторско-технологические вопросы разработки микросистемных датчиков 12
1.1. Краткий исторический очерк развития микросистемой техники 12
1.2. Кремний — универсальный материал для микросистемой техники 14
1.3. Сухое травление кремния 23
1.4. Методы глубокого вертикального травления кремния 30
1.5. Пористый кремний в микросистемотехнике 36
1.6. Обобщенный закон Гука для анизотропных сред 41
1.7. Чувствительные элементы интегральных датчиков 43
1.8. Корпусирование интегральных датчиков 49
Вопросы для самопроверки 56
Глава 2. Элементы и узлы микросистемных датчиков 57
2.1. Емкостный преобразователь перемещений 57
2.2. Метод трех генераторов для измерения микроперемещений 60
2.3. Исключение влияний друг на друга осевого и углового движений микромаятника 61
2.4. Преобразователь перемещений на полевом эффекте 62
2.5. Магниторезистивный преобразователь перемещений 71
2.6. Магниторезистивный датчик перемещений на гигантском магниторезистивном эффекте 72
2.7. Оптоэлектронный преобразователь перемещений 75
2.8. Датчик перемещений на принципе автоэлектронной эмиссии 76
2.9. Диффузионные и эпитаксиальные тензопреобразователи 78
2.10. Преобразователи на поверхностных акустических волнах 84
2.11. Струнные тензопреобразователи 86
Вопросы для самопроверки 88
Глава 3. Параметры и характеристики микросистемных датчиков 90
3.1. Расчет жесткостей однослойных упругих подвесов с криволинейными обводами 90
3.2. Расчет жесткостей многослойных упругих подвесов микросистемных датчиков 95
3.3. Оценка продольной устойчивости упругих подвесов интегральных маятников акселерометров 99
3.4. Противоударный демпфер для микросистемных акселерометров 102
3.5. Газодинамическое демпфирование интегральных подвижных узлов 103
3.6. Демпфирование перфорированных чувствительных элементов 110
3.7. Оптимизация газодинамического демпфирования подвижного узла 112
3.8. Магнитоэлектрическое демпфирование в микросистемных акселерометрах и гироскопах 113
3.9. Гистерезисное демпфирование в интегральных датчиках 115
3.10. Демпфирование с помощью электрического контура 118
3.11. Демпфирование с помощью механических поглотителей виброэнергии 122
Вопросы для самопроверки 128
Глава 4. Микросистемные обратные преобразователи 129
4.1. Электростатический преобразователь силы 129
4.2. Диамагнитный преобразователь силы 131
4.3. Магнитоэлектрический преобразователь силы 134
4.4. Электромагнитный преобразователь силы 144
Вопросы для самопроверки 147
Глава 5. Интегральные термопреобразователи 148
5.1. Линеаризация R-T-характеристики полупроводниковых терморезисторов 148
5.2. Интегральные датчики температуры 150
5.3. Интегральный термоанемометр постоянной температуры 154
5.4. Интегральный термоанемометр с переносом тепловых меток 159
Вопросы для самопроверки 164
Глава 6. Передаточные функции микросистемных датчиков 165
6.1. Применение вариационного принципа Гамильтона для определения передаточных функций микромеханически чувствительных узлов 165
6.2. Построение передаточных функций электрических схем 169
6.3. Электрические схемы типовых динамических звеньев 171
Глава 7. Схемотехника микросистемных датчиков 174
7.1. Линейные электрические схемы интегральных датчиков 174
7.2. Нелинейные электрические схемы интегральных датчиков 183
7.3. Источник опорного напряжения 189
7.4. Релаксационный преобразователь сопротивления тензодатчиков в частоту 194
7.5. Преобразователь напряжения в частоту 197
7.6. Интегральные датчики с цифровым выходом 199
7.9. Микроконтроллеры в интегральных датчиках 205
Вопросы для самопроверки 208
Глава 8. Интегральные акселерометры 210
8.1. Акселерометр с электростатической обратной связью 210
8.2. Акселерометр с магнитоэлектрической отрицательной обратной связью 226
8.3. Акселерометр с электромагнитной обратной связью 237
8.4. Акселерометр с импульсной обратной связью 241
8.5. Осевой микросистемный акселерометр 245
8.6. Угловой микросистемный акселерометр 247
8.7. Емкостный акселерометр прямого измерения с гребенчатой конструкцией чувствительного элемента 252
8.8. Оценка погрешности интегральных акселерометров от воздействия вибровозмущений 255
8.9. Аппаратные методы снижения погрешностей акселерометров 257
Вопросы для самопроверки 262
Глава 9. Микрогироскопы 263
9.1. Гироскопический принцип измерения угловой скорости 263
9.2. Математическая модель чувствительного элемента микросистемного ДУС с двухкоординатным подвесом 269
9.3. Математическая модель чувствительного элемента микросистемного ДУС типа «угловой вибратор» 278
9.4. Математическая модель чувствительного элемента микросистемного ДУС типа «линейный вибратор» 286
9.5. Камертонный микрогироскоп 290
9.6. Микрогироскоп с резонирующим кольцом 294
9.7. Влияние анизотропии свойств кремния на параметры кольцевого резонатора 305
9.8. Математическая модель микросистемного гироскопа с обращенным кардановым подвесом ротора 312
Вопросы для самопроверки 318
Библиографический список для первой части 319
ЧАСТЬ II 322
Глава 10. Микросистемные пьезорезонансные датчики 322
10.1. Физические и информационные свойства кварца 322
10.2. Общая математическая модель для пьезоэлектрических сред 328
10.3. Пьезорезонансный датчик времени 331
10.4. Кварцевые микровесы 333
10.5. Пьезорезонансный датчик температуры 337
10.6. Пьезоэлектрический виброакселерометр 338
10.7. Пьезорезонансный датчик перемещения 339
10.8. Конструктивные схемы пьезоэлектрических гироскопов 341
10.9. Цилиндрический пьезогироскоп 344
10.10. Пьезогироскоп типа «гантель» 347
10.11. Дисковый пьезогироскоп 350
Вопросы для самопроверки 357
Глава 11. Микромагнитометры 359
11.1. Датчик магнитной индукции 359
11.2. Микроэлектромеханический датчик магнитного поля 362
11.3. Устройство для измерения индукции переменного магнитного поля 365
11.4. Импульсный магнитометр 366
11.5. Магнитометр на основе анизотропного магниторезистивного эффекта 368
11.6. Магнитометр на основе p-n-перехода 373
11.7. Магнитометр на ПАВ-структуре 375
Вопросы для самопроверки 376
Глава 12. Интегральные датчики давлений и влажности 378
12.1. Расчет прогибов и деформаций интегральных чувствительных элементов датчиков давлений 378
12.2. Динамическая модель интегральной мембраны с жестким центром 381
12.3. Определение параметров передаточной функции интегральной мембраны 385
12.4. Условия проявления мембранного эффекта 388
12.5. Датчик давлений с емкостным преобразователем 390
12.6. Датчик давлений с электростатической обратной связью 397
12.7. Датчик давлений с магнитоэлектрической обратной связью 400
12.8. Датчики давления с полным тензорезисторным мостом 404
12.9. Сверхминиатюрный датчик акустических давлений 409
12.10. Интегральный высотомер 411
12.11. Резонаторный датчик давлений 412
12.12. Датчик влажности на полевом эффекте 416
12.13. Гигрометр на основе оксида алюминия 419
12.14. Интегральный СВЧ-влагомер 420
Вопросы для самопроверки 421
Глава 13. Интегральные расходомеры жидкостей и газов 423
13.1. Термоанемометрический расходомер 423
13.2. Вихревой расходомер 426
13.3. Доплеровский расходомер 427
13.4. Компенсационный расходомер жидкостей и газов 429
13.5. Электромагнитный расходомер 433
Глава 14. Микроактюаторы. Тепловые микроактюаторы 440
14.1. Классификация микроактюаторов 440
14.2. Электростатические микроактюаторы 441
14.3. Тепловые микроактюаторы 444
14.4. Применение тепловых микроактюаторов 448
14.5. Тепловые микроактюаторы на основе линейного расширения 451
14.6. Тепловые актюаторы на основе многослойных балок 452
14.7. Конструкции теплового микроактюатора на основе биморфной структуры 453
14.8. Расчет стрелы прогиба биморфной балки в зависимости от температуры 455
14.9. Распределения перегрева по длине балки микроактюатора 459
Глава 15. Оптимизация характеристик интегральных датчиков 466
15.1. Оптимизация конструктивных параметров по динамическому критерию 466
15.2. Оптимизация по квадратичному критерию качества 469
15.3. Оптимизация конструктивных параметров датчиков с помощью метода неопределенных множителей Лагранжа 471
15.4. Оптимизация отношения сигнал/шум 476
15.5. Подавление тепловых шумов полупроводников 477
15.6. Защита микросистемных чувствительных элементов от вибрационной и ударной нагрузки 479
15.7. Статистический подход к оптимизации передаточных функций интегральных датчиков 483
15.8. Применение фильтра Калмана для снижения случайных погрешностей микродатчиков 488
Вопросы для самопроверки 492
Глава 16. Испытания и тарировка интегральных датчиков 493
16.1. Многофакторные испытания статических характеристик акселерометров 493
16.2. Калибровка интегральных датчиков по экспериментальным данным 496
16.3. Идентификация передаточных функций интегральных датчиков по экспериментальным АЧХ 497
16.4. Испытания интегральных датчиков давлений 503
16.5. Испытания интегральных датчиков перемещений 505
16.6. Испытания интегральных термоанемометров 506
Вопросы для самопроверки 509
Глава 17. Надежность элементов и компонентов микроэлектромеханических систем 510
17.1. Виды и категории испытаний 510
17.2. Оценка надежности микромеханических акселерометров 512
17.3. Анализ механических напряжений 517
17.4. Оценка надежности ММА с электронным преобразователем 521
17.5. Оценка надежности чувствительного элемента микромеханического гироскопа 526
Библиографический список для второй части 541
Приложения
Скачать Вавилов В.Д. , Тимошенков С.П. , Тимошенков А.С. - Микросистемные датчики физических величин