Розробка електронних схем сенсорів теплових величин

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ШПАТАР

ПЕТРО МИХАЙЛОВИЧ

УДК 621.793.184

РОЗРОБКА ЕЛЕКТРОННИХ СХЕМ СЕНСОРІВ ТЕПЛОВИХ ВЕЛИЧИН

05.27.01- Твердотільна електроніка

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2007



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник	доктор технічних наук, професор кафедри радіотехніки та інформаційної безпеки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича Політанський Леонід Францевич.
Офіційні опоненти	доктор технічних наук, професор Голяка Роман Любомирович, Національний університет "Львівська політехніка". доктор технічних наук, професор Годованюк Василь Миколайович, директор ВАТ ЦКБ “Ритм”, м. Чернівці.
Провідна установа	Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, кафедра мікроелектроніки

Захист відбудеться “ 29 ” березня 2007 р. о 14 ³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К Д.35.052.12 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. С.Бандери, 12):

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (м. Львів, вул. Професорська, 1)

Автореферат розіслано “ 28 ” лютого 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Заячук Д.М.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний стан розвитку науки і техніки визначається рівнем розвитку електронної техніки, зокрема розробкою схемотехнічних засобів сенсорів неелектричних величин. Домінуючу роль у вирішенні цієї проблеми відіграє твердотільна електроніка.

Розвиток твердотільної електроніки здійснюється в напрямку фундаментальних досліджень фізики твердого тіла, фізики напівпровідників та діелектриків, вивчення впливу різних факторів (температури, тиску, електромагнітного поля, оптичного випромінювання тощо) на властивості матеріалів електронної техніки.

На виміри, що виконуються в наукових дослідженнях та виробництві, приходиться не менше десятої долі суспільної праці. А в багатьох випадках, її частка складає половину всіх затрат. Тому рівень електронної техніки стає одним з найважливіших критеріїв науково-технічного прогресу.

Розвиток сенсорних приладів вимагає електронних засобів вимірювань в напрямку створення систем збору даних та керування, які характеризуються високою здатністю до уніфікації, наявності не тільки вимірювальних, але й керуючих каналів дії на об'єкт дослідження, а також первинних перетворювачів - спеціальних пристроїв, призначених для перетворення неелектричних величин в електричний сигнал. Первинні перетворювачі сумісно із схемами збору даних й керування створюють замкнену гнучку вимірювально-керуючу систему.

Оцінка похибки вимірів в сучасних умовах - задача комплексна і складна. Некоректна оцінка похибки може призвести до великих економічних втрат, а інколи і технічних наслідків, неправильних висновків при наукових дослідженнях та випробуваннях нової техніки.

Розвиток засобів вимірювання фізичних величин неелектричного характеру (довжини, маси, часу, температури, сили світла та ін.) за останні роки все більше наближається до принципового та конструктивного виконання радіовимірювальних приладів: неелектрична величина за допомогою вимірювальних сенсорів перетворюється в електричну і в подальшому процес підсилення, перетворення і реєстрації вимірювальної інформації базується на принципах та методах електронних засобів вимірювання. Це дозволяє автоматизувати процес вимірів, уніфікувати та стандартизувати різні види засобів вимірювань, забезпечити метрологічну, конструктивну, інформаційну, енергетичну та експлуатаційну сумісність засобів вимірювань між собою і з об'єктами вимірів.

Тому розробка електронних схем сенсорів теплових величин є актуальною задачею, вирішення якої напрямлене на прискорення науково-технічного прогресу у всіх напрямках науки, техніки, медицини, екології та інших.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в межах тематики науково-дослідної роботи кафедри радіотехніки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича "Радіофізичні методи дослідження матеріалів електронної техніки" та "Радіоелектронні прилади, пристрої та їх елементна база", державний реєстраційний код 01990001900. Роль автора у виконанні даних науково-дослідних робіт полягала в розробці схемотехнічних рішень для сенсорів вимірювання теплових величин, які дозволяють реалізувати радіовимірювальні прилади у інтегральному виконанні.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка електронних схем для сенсорів теплових величин з покращеними метрологічними та експлуатаційними характеристиками.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

Розробка мікроелектронних засобів для вимірювання температурного коефіцієнту теплового розширення твердих тіл, що виключають вплив непаралельності обкладок конденсатора як сенсора на похибку вимірювання;

Розробка мікроелектронних схемотехнічних засобів забезпечення лінійності зміни температури досліджуваних зразків матеріалів з метою виключення впливу градієнту температури на похибку вимірювання температурного коефіцієнту розширення;

Розробка схемотехнічних рішень для п'єзоелектричної калібровки у ємнісному дилатометрі з врахуванням отриманої математичної моделі;

Створення малоінерційних тонкоплівкових лінійних сенсорів температури та дослідження впливу зовнішніх факторів на їх стабільність;

Розробка математичної моделі лінеаризації залежності опору давачів температури від швидкості потоку повітряних мас.

Об'єктом експериментального дослідження є електронні схеми для сенсорів вимірювання теплових величин.

Предметом дослідження обрані сенсори вимірювання термічного розширення твердих тіл, швидкості теплових потоків, температури.

Застосовано такі методи досліджень, як визначення температурного коефіцієнту розширення твердих тіл за допомогою ємнісного дилатометра, використання явища п'єзоефекту для калібрування параметричного ємнісного давача, вимірювання температури та швидкості потоків повітряних мас за допомогою тонкоплівкових сенсорів температури

Наукова новизна полягає в наступному:

Розроблені функціональні та принципові електронні схеми засобів дослідження впливу часу сканування температури у ємнісному дилатометрі на точність вимірювання температурного коефіцієнту лінійного розширення (ТКЛР). Встановлено, що запропоновані електронні схеми сенсорів підвищують точність вимірювання ТКЛР на 5 % в порівнянні з фантастронним та цифровим методами нагріву досліджуваних зразків;

Вперше запропоновано схемотехнічне рішення з використанням тонкоплівкових сенсорів температури в тепловому генераторі лінійно змінної напруги, який забезпечує лінійність та практично необмежений час сканування температури в порівнянні з цифровими та фантастронними генераторами напруги.

Вперше досліджений вплив процесу передачі деформації калібровочного п'єзоелементу на величину зміни ємності давача. Розроблена математична модель дозволяє враховувати вплив пружних властивостей елементів конструкції на результати вимірювання ТКЛР. Запропоновані мікроелектронні схемотехнічні рішення та програмні засоби дозволяють автоматизувати вимірювання ТКЛР з точністю до 10^-9;

Розроблено математичну модель лінеаризації залежності опору тонкоплівкового сенсора від швидкості потоку повітряних мас. Запропонована модель спрощує схемотехнічні рішення та програмні засоби автоматизованого дослідження потоків.

Практичне значення одержаних результатів. полягає в тому, що:

Розроблено структурну схему гібридно-інтегрального генератора лінійно-змінної напруги, що дає можливість забезпечити регулювання розгортки напруги з практично необмеженим часом і може широко використовуватись при проведенні дилатометричних і калориметричних досліджень.

Розроблені мікроелектронні схемотехнічні рішення для ємнісних давачів, що дозволяють реєструвати малі зміни ємності порядку 10^-16 Ф

Розроблено функціональну схему термоанемометра з врахуванням отриманої аналітичної функції лінеаризації опору термосенсора від швидкості повітряного потоку, що дозволяє застосовувати комп'ютерну обробку результатів вимірювань.

Розроблено схемотехнічні рішення та програмне забезпечення для автоматизованого дослідження теплових характеристик матеріалів електронної техніки.

Розроблено структурну та принципову схеми мікроелектронного безконтактного вимірювача температури для його реалізації в інтегральному виконанні.

Розроблено електричну принципову схему вимірювача вологості атмосфери всередині металоскляних та металокерамічних корпусів електронних приладів з використанням тонкоплівкових сенсорів температури.

Публікації і особистий внесок здобувача в отриманні наукових результатів. За темою дисертації опубліковано 30 наукових робіт: 11 статей (у співавторстві), 19 тез доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах. У роботах, виконаних у співавторстві, дисертантом встановлено технологічні режими виготовлення прецизійного лінійного давача температури [3, 7, 23], введено ланки коректування опору давача [12], розроблено прилади з використанням термоперетворювачів опору [4, 6, 9, 13, 15, 17]. Проведені дослідження короткотривалої та довготривалої стабільності параметрів мідних плівкових термоперетворювачів опору [25, 27]. Отримана аналітична залежність опору мідного плівкового термоперетворювача від швидкості повітряних мас [19]. Запропоновано електронні схеми для давача ємнісного дилатометра [4, 26], отримано аналітичні залежності ємності давача з непаралельними прямокутними та круглими обкладинками конденсатора [11, 16], проведено математичне моделювання процесу передачі деформації у ємнісному дилатометрі [21, 22] та запропоновано схемотехнічні рішення реєстрації малих змін ємності [14, 18, 24]. Розроблено пристрої спряження з ЕОМ та відповідне програмне забезпечення[28,29,30]. Запропоновано використання п'єзоелектричного матеріалу, на який подається напруга біполярної форми [5, 20], для калібровки ємнісного дилатометра. Запропоновано використання термостатування для зменшення впливу температурних градієнтів [2]. З метою автоматизації експериментального комплексу запропоновані завадостійкі способи передачі даних [1] та синхронна обробка електричних сигналів [8]. Автор брав активну участь у написанні, обговоренні та оформленні вказаних статей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи, що включені до дисертації, доповідались та обговорювались на:

IX-ому Міжнародному молодіжному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”, Харків, Україна, 2000.

ІІ-му міжнародному Смакуловому симпозіумі ”Фундаментальні і прикладні проблеми сучасної фізики”, Тернопіль, Україна, 2000.

міжнародній конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА-2001, Львів, Україна 2001.

VIІI-ій міжнародній науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, Хмельницький, Україна, 2001.

науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу з проблем електроніки, Львів, Україна, 2002.

третій міжнародній науково-технічній конференції “Современные информационные и электронные технологии”, Одеса, Україна, 2002.

IХ-ій міжнародній науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, Хмельницький, Україна, 2002.

Х-ій міжнародній науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, Хмельницький, Україна, 2003.

четвертій міжнародній науково-технічній конференції “Современные информационные и электронные технологии”, Одеса, Україна, 2003.

науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу з проблем електроніки, Львів, Україна, 2003.

І міжнародній науково-теоретичній конференції молодих вчених, м. Чернівці, Україна, 2003.

науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу з проблем електроніки, Львів, Україна, 2004.

п'ятій міжнародній науково-технічній конференції “Современные информационные и электронные технологии”, Одеса, Україна, 2005.

ІІ міжнародній науково-теоретичній конференції молодих вчених, м. Чернівці, Україна, 2005.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та додатку. Загальний обсяг дисертації - 150 сторінок, у тому числі 61 рисунок, 2 таблиці, список використаних літературних джерел зі 120 найменувань на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, обґрунтовано достовірність отриманих експериментальних результатів, наведено інформацію про апробацію результатів досліджень, а також структуру дисертації і особистий внесок автора у роботи, які опубліковано разом зі співавторами.

Перший розділ має оглядовий характер. У ньому проаналізовані принципи побудови та основні тенденції розвитку мікроелектронних сенсорів температури на основі тонкоплівкової технології. Показано, що певні класи сенсорів температури розвинені недостатньо, а актуальність таких сенсорів є значною на сьогоднішній день.

Також розглянуто електронні схеми дослідження теплового розширення твердих тіл оптичними та радіотехнічними методами. Найбільш перспективними в даний час слід вважати ємнісні методи дослідження. Проаналізовані схеми узгодження та оцифрування аналогових інформаційних сигналів, розглянуті питання автоматизації процесу вимірювання. Показано, що вибрана тема досліджень не повторює відомі роботи, а доповнює їх.

У другому розділі описано методику виготовлення плівкового мідного термоперетворювача опору та представлені результати дослідження стабільності їх характеристик. Приведені розрахунки впливу на точність вимірювання ТКЛР конструктивних особливостей ємнісних сенсорів.

Тонкоплівковий елемент термодавача формується методом фотолітографії на жорсткій ситаловій підкладці. Належну адгезію міді до ситалу забезпечує додаткове нанесення адгезійного шару титан-вольфраму. Плівки титан-вольфраму та міді наносили методом магнетронного розпилення.

У якості захисного шару використовується тонка плівка двоокису кремнію. Забезпечення належної часової стабільності характеристик мідного термо-перетворювача опору досягається нанесенням додаткового захисного шару титан-вольфраму між мідним терморезистивним шаром та ізолюючим шаром двоокису кремнію. Товщини адгезійного і захисного шарів титан-вольфраму вибиралися виходячи з міркувань забезпечення належної адгезії і запобігання окислювання та зведення до мінімуму шунтування термочутливого шару міді.

Для зменшення розподіленої індуктивності в якості базової топології термоперетворювача опору обрана плоска біфілярна структура. Термочутливі елементи з опором 150 Ом мали довжину плівки 140 мм, а їх габаритні розміри складали 6Ч4Ч1 мм³. Корекція величини опору R₀ здійснюється з допомогою методу лазерної підгонки.

Температурна залежність опору досліджуваних термоперетворювачів опору описуються лінійною функцією R(T)= R₀(1+Т), в температурному інтервалі від -50⁰С до +200⁰С. Величина температурного коефіцієнту опору складає =0,00322 ⁰С^-1, а відношення опорів W₁₀₀=R₁₀₀ /R₀ =1.322, де R₀ та R₁₀₀- опір термоперетворювача відповідно при температурах 0⁰С та 100⁰С.

Аналіз результатів досліджень короткострокової стабільності (рис. 2) свідчить, що зміна величин R₀ та W₁₀₀ не більше ніж 1,6 Ом і 0.009 відповідно.

а б

Рис. 2. Короткострокова стабільність R₀ та W₁₀₀

При використанні ємнісних сенсорів, зокрема при дослідженні температурного коефіцієнту розширення, в реальних умовах важко гарантувати виконання умови взаємопаралельності обкладок конденсатора. Встановлено, що непаралельність обкладок ємнісного сенсора значно впливає на результат вимірювання. Зокрема, при непаралельності порядку 50 мкм, зміна ємності співрозмірна з відносною зміною розмірів досліджуваних зразків.

Для зменшення впливу температури використовується термостатування ємнісного давача, сигнал знімається за допомогою коаксіальної лінії, введення охоронного кільця усуває краєві ефекти.

Теоретична оцінка чутливості ємнісного сенсора складає 10^-16 Ф. При малих віддалях між обкладинками вимірювального конденсатора зростає вплив механічних вібрацій на величину його ємності. Із-за цього на практиці надійно реєструється зміна ємності 10^-15 Ф, що на порядок менше розрахованої теоретично.

Третій розділ присвячено дослідженню та розробці електронних схем для ємнісних сенсорів теплового розширення твердих тіл.

Конструкція дилатометра дозволяє проводити вимірювання температурного коефіцієнту лінійного розширення зразків товщиною 112 мм і максимальним діаметром 8 мм. Структурна схема вимірювальної системи для ємнісного дилатометра з використанням ЕОМ зображена на рис. 3.

Теплове розширення комірки визначається вимірюванням теплового розширення зразків з чистої міді та чистого алюмінію і порівнянням отриманих результатів з точними літературними даними для цього матеріалу. Обидва ці матеріали можна виготовити з високою степеню чистоти і вони володіють хорошою теплопровідністю та не мають фазових переходів в релевантній області температур.

Рис. 3. Структурна схема вимірювальної системи для ємнісного дилатометра: 1- досліджуваний зразок; 2 - нагрівник; 3 - параметричний ємнісний давач; 4 - термопара; 5 - п'єзокристал

Математичне моделювання процесу передачі переміщень у ємнісному сенсорі забезпечує оптимальний підбір геометрії складових елементів конструкції, визначення фізико-механічних параметрів чутливого елементу.

Конструкція ємнісного сенсора дилатометра зображена на рис. 4.

1- підшипник; 2- кулькова опора; 3- основа верхньої обкладинки; 4- текстолітове кільце; 5- слюда; 6- охоронне кільце; 7- кільце; 8- верхня обкладинка; 9- нижня обкладинка; 10- основа нижньої обкладинки; 11- п'єзоелектрик; 12- плоска пружина; 13- циліндрична основа.

На основі рівнянь зв'язку електричних і механічних характеристик п'єзоелемента встановлено аналітичну залежність зміни ємності давача від прикладеної до поверхонь п'єзоелектрика електричної напруги.

, (1)

де - п'єзомодуль; - електрична напруга, яка прикладається до поверхонь п'єзоелектрика; -початкова відстань між обкладинками конденсатора; - площа перекриття обкладинок конденсатора ємнісного давача, незмінність якої забезпечується конструкцією.

На рис. 5 представлені залежності нормованої ємності сенсора від безрозмірного коефіцієнту y/h₃ для трикомпонентного середовища. Пружні властивості µ₁, µ₂ компонентів різні. h₃ - товщина трикомпонентного середовища, y - координата вздовж вісі чутливого елементу

Розроблена модель дозволяє підібрати геометричні та фізико-механічні параметри давача таким чином, щоб зменшити коливний характер розподілу напружень вздовж чутливого елементу та підвищити точність калібрування ємнісного сенсора в процесі вимірювань

Система п'єзоелектричної калібровки складається з електронного блоку і виконуючого пристрою, створеного на основі шести п'єзокерамічних пластин розмірами 51,5мм. Всі місця склеювання виконані епоксидним оптичним клеєм. Електрично п'єзопластини з'єднані паралельно. Сумарна ємність складає 0,05 мкФ, чутливість мкм/В, допустима напруга В.

Рис. 6. Принципова електрична схема формувача двополярного сигналу

Керуюча напруга двополярної форми через високовольтний підсилювач подається на виконуючий пристрій. Для керування п'єзоелектричним виконуючим пристроєм розроблений формувач двополярного сигналу, принципова схема якого зображена на рис. 6.

Для вимірювання ємності найчастіше використовують мостові методи. Щоб забезпечити високу чутливість мостових схем, необхідні оптимальний підбір всіх елементів схеми, враховуючи паразитні зв'язки, та досить складне схемотехнічне рішення вимірювальної схеми, яка потребує складного налагодження як в процесі вимірювання, так й при підготовці до вимірювання. Це створило передумови використання частотних методів вимірювання ємності. Основні функціональні вузли частотного методу реєстрації малих змін ємності зображені на рис.7.

Рис. 7. Функціональна схема реєстратора ємності параметричного конденсатора

Параметричний ємнісний давач є складовою частиною коливального контуру генератора, керованого напругою. Початкова ємність давача може задаватися в межах від 50 пФ до 76 пФ.

а б

Рис. 8. Мікрон-вольтна залежність та чутливість реєстратора ємності параметричного конденсатора

Експериментально визначена мікрон-вольтна залежність та чутливість реєстратора ємності параметричного конденсатора зображені на рис. 8 а,б.

При розробці систем, що забезпечують стабілізацію заданої швидкості зміни температури виникає потреба в задавачах лінійно-змінної напруги. Електронні задавачі фантастронного типу, генератори на основі інтеграторів Міллера обмежені порівняно малим часом розгортання напруги, цифрові генератори не можуть забезпечити достатньої плавності зміни напруги. Розроблений тепловий генератор лінійно-змінної напруги, позбавлений вказаних вище недоліків.

Блок схема генератора (рис. 9) складається з блоку сканування, джерела регульованої напруги, системи автоматичної підтримки адіабатичних умов та схеми захисту блоку сканування від перегріву.

До нагрівника тіла сканування, яке перебуває в адіабатичних умовах, підводять певну електричну потужність. Оскільки для більшості твердих тіл температура Дебая нижче кімнатної, то значення їх теплоємності в області додатних температур не залежить від температури, отже температура тіла сканування буде змінюватися лінійно. Лінійно змінюватиметься і температура термодавача, а при лінійності температурної характеристики останнього і значення спаду напруги на ньому.

Проведені результати випробування генератора свідчать про досить високу лінійність зміни температури термоопору (рис. 10 а). В режимі нагрівання забезпечувалася швидкість сканування до 8 °С/хв, у режимі охолодження - 4 °С/хв.

Рис. 9. Блок схема теплового генератора лінійно-змінної напруги.

а б

Рис. 10. Часова залежність зміни температури терморезистора в режимі нагрівання (а) та охолодження (б).

Графіки залежностей, зображені на рис. 10 а, відповідають швидкостям сканування 0,33 ⁰С/хв (крива 1), 0,63 ⁰С/хв (крива 2), 3,28 ⁰С/хв (крива 3). Застосування системи автоматичного ввімкнення обдуву тіла сканування забезпечило високу лінійність зміни температури при охолодженні (рис. 10 б). При швидкості сканування 0,1 ⁰С/хв лінійність зміни температури забезпечується практично з необмеженим часом. Графіки залежностей, зображені на рис. 10 б, відповідають швидкостям сканування 0,75 ⁰С/хв (крива 1), 0,8 ⁰С/хв (крива 2), 1,18 ⁰С/хв (крива 3).

Четвертий розділ присвячено розробці електронних схем на основі плівкових мідних термоперетворювачів опору: безконтактний вимірювач температури, термоанемометр, стенд контролю температури точки роси всередині корпусів електронних приладів.

Структурна схема безконтактного вимірювача температури зображена на рис. 11.

Рис. 11. Структурна схема безконтактного вимірювача температури.

У якості теплового приймача використано тонкоплівкові мідні термоперетворювачі опору (ТПО). ТПО із лінійною температурною залежністю опору дозволили значно спростити схему приладу, оскільки відсутня необхідність використання блоків лінеаризації.

Для забезпечення можливості вимірювання температури у важкодоступних місцях робочий термодавач Rр розташований на виносній двометровій штанзі і підключається до вимірювального блоку за допомогою чотирьохпровідної лінії. Робочий Rр і термокомпенсаційний Rк давачі ввімкнені в коло зворотного зв'язку відповідних підсилювачів змінного струму.

Структурна схема розробленого термоанемометра представлена на рис. 12

Рис. 12. Структурна схема термоанемометра: ДОН - джерело опорної напруги; Н - нагрівник; ПК - пристрій керування; ГС - генератор струму; ПО - перетворювач опору; П - підсилювач; БАКН - блок автоматичної корекції нуля; БВЗ - блок вибірки та зберігання; ЛП - логарифмічний підсилювач; АЦП -аналого-цифровий перетворювач; РКІ - рідкокристалічний індикатор.

Аналітична залежність опору термодавача від швидкості повітряного потоку визначається формулою (2).

, (2)

де R₀ - опір термодавача при 0⁰С; - температурний коефіцієнт опору термодавача; L- лінійний розмір термодавача; F - площа термодавача; V - швидкість повітряного потоку; - кінематична в'язкість повітря; Ф(z) - інтеграл ймовірності; - теплопровідність повітря; Re - число Рейнолдса; Pr - число Прандтля;

Дана аналітична залежність не дає можливість визначити опір в області 01 м/с та при швидкостях 40-60 м/с так, як в першому випадку необхідно враховувати власну конвекцію, а в другому залишається невизначене рівняння теплообміну при переході від ламінарного до турбулентного режиму. Одним з шляхів вирішення цієї проблеми є отримання аналітичної залежності опору термодавача від швидкості потоку. Експериментальна залежність опору термодавача від швидкості потоку повітряних мас представлена на рис.13, крива 1.

Рис. 13. Графік залежності опору термодавача від швидкості потоку повітряних мас: 1-експериментальні дані; 2- апроксимаційна крива; 3- аналітична залежність

Для отримання аналітичної залежності функції R(V) було проведено апроксимацію експериментальних даних методом нелінійної регресії (рис.13, крива 2). Отримана аналітична функція дає змогу провести лінеаризацію залежності опору термодавача від швидкості потоку повітряних мас.

У стенді контролю температури точки роси запропоновано локальне охолодження атмосфери всередині корпусу інтегральних схем (ІС) через окремий електричний вивід. Це дозволило зменшити площу охолоджуваної поверхні всередині корпусу ІС до 11,5мм² і збільшити товщину локально конденсованого шару вологи до 6мкм. Конденсація вологи на охолоджуваному виводі супроводжується зміною ємності між цим виводом і корпусом ІС. Зміна ємності реєструється методом биття частоти автоколивання вимірювального та опорного генераторів. Температура конденсації вологи всередині корпусу ІС фіксується в момент зміни частоти.

Рис. 14. Принципова електрична схема пристрою реєстрації температури точки роси.

Абсолютна похибка вимірювання температури не перевищує половини значення молодшого розряду цифрового індикатора і складає не більш 0,05⁰С. Відносна похибка вимірювання температури в цьому випадку не перевищує 5%, що визначає похибку вимірювання вологості атмосфери в корпусі ІС.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Розроблені функціональні та принципові схеми мікроелектронних засобів дослідження впливу часу сканування температури у ємнісному дилатометрі на точність вимірювання температурного коефіцієнту лінійного розширення (ТКЛР). Встановлено, що запропоновані електронні засоби підвищують точність вимірювання ТКЛР на 5 % в порівнянні з фантастронним та цифровим методами нагріву досліджуваних зразків;

2. Розроблений тепловий генератор лінійно-змінної напруги з використанням тонкоплівкових сенсорів температури з практично необмеженим часом сканування. Використання теплового генератора дозволяє підвищити точність вимірювання температурного коефіцієнту лінійного розширення в порівнянні з традиційними генераторами напруги.

3. Досліджений вплив процесу передачі деформації калібровочного п'єзоелементу на величину зміни ємності давача. Розроблена математична модель дозволяє враховувати вплив пружних властивостей елементів конструкції на результати вимірювання. Запропоновані схемотехнічні рішення та програмні засоби дозволяють автоматизувати вимірювання ТКЛР з точністю до 10^-9;

4. Розроблено електричну функціональну та електричну принципову схеми з використанням 2Т - моста, що дозволяє вимірювати зміни ємності в діапазоні від 20 до 70 пФ з точністю 10^-16 Ф. Запропоновані схемотехнічні рішення з використанням системи ФАПЧ для автоматизованого дослідження теплових властивостей матеріалів електронної техніки.

5. Досліджений вплив зовнішніх факторів на стабільність тонкоплівкових мідних сенсорів температури, використаних у тепловому генераторі лінійно-змінної напруги, анемометрі, безконтактному вимірювачі температури та приладі для вимірювання температури точки роси всередині металоскляних та металокерамічних корпусів електронних приладів.

6. Розроблений безконтактний вимірювач температури на основі мідного тонкоплівкового сенсора температури, який дозволяє вимірювати температуру з точністю до 0,01 ^оС. Сенсори з лінійною температурною залежністю опору і відтворюваною величиною R₂₀ забезпечили можливість значно спростити схему приладу, оскільки відсутня необхідність використання блоків лінеаризації.

7. Розроблено функціональну схему термоанемометра з врахуванням отриманої аналітичної функції лінеаризації опору термосенсора від швидкості потоку повітряних мас, що дозволяє застосовувати комп'ютерну обробку результатів вимірювань. Якість підбору апроксимуючої функції перевірено з допомогою коефіцієнта детермінації R²=0.979 ? 1, що свідчить про достатньо високу точність підбору аналітичної залежності R(V). Розроблений анемометр дозволяє проводити вимірювання швидкості потоків повітряних мас від 0 до 80 м/с.

8. Розроблений вимірювач вологості атмосфери всередині металоскляних та металокерамічних корпусів електронних приладів з використанням тонкоплівкових сенсорів температури. Абсолютна похибка вимірювання температури, обумовлена конструктивними особливостями холодильної камери, розташуванням давача температури щодо охолоджуваного виводу ІС і градієнтами температур в охолоджуваному коваром електроді dТ/dx0,11C/см та в склі - dТ/dx1,7C/см, не перевищує половини значення молодшого розряду цифрового індикатора і складає не більш 0,05⁰С. Відносна похибка вимірювання температури в цьому випадку не перевищує 5%.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Ватаманюк П.П. Воробець Г.І, Воробець О.І., Шпатар П.М. Захищена радіосистема передачі аналогової інформації// Науковий вісник Чернівецького університету, Фізика, вип. 50, 1999, С.85-90

2. Жук О.П., Іларіонов О.Є., Шпатар П. М. Термостат діапазону 30-200С// 4-й Международный молодежный форум “ Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”, Харьков, Украина, 2000.С.117-118

3. Брайловський В.В., Іларіонов О.Є., Шпатар П.М. Малоінерційний лінійний давач температури// ІІ-й міжнародний Смакуловий симпозіум ”Фундаментальні і прикладні проблеми сучасної фізики”, Тернопіль, Україна, 2000.-С.201-202

4. Брайловський В.В., Воробець О.Г., Іларіонов О.Є., Шпатар П. М. Ємнісний дилатометр// ІІ-й міжнародний Смакуловий симпозіум ”Фундаментальні і прикладні проблеми сучасної фізики”, Тернопіль, Україна, 2000.-С. 197-198

5. Брайловський В.В., Іларіонов О.Є., Хандожко О.Г., Шпатар П.М. Автодинний спін-детектор для ЯКР - термометрії// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах, №4, 2000, С. 34-36.

6. Воробец Г.И., ЖукО.П., Иларионов О.Е., Танасюк В.С., Шпатар П.М. Стенд измерения влажности внутрикорпусной атмосферы изделий электронной техники// Приборы и техника эксперимента №2, 2001.-С. 146-149.

7. Брайловський В.В., Іларіонов О.Е., Шпатар П.М. Мініатюрний мідний термоперетворювач опору// Фізичний збірник НТШ, т 4, 2001, С. 307-310.

8. Брайловський В.В, Жук О.П., Танасюк В.С., Шеляг О.Р., Шпатар П.М. Синхронний підсилювач електричних сигналів//Восьма міжнародна науково-технічна конференція “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, Хмельницький, 2001, С. 234-236.

9. Брайловський В.В, Ластівка Г.І., Чуботару М.М., Шпатар П.М. Скануючий мікрокалориметр// Восьма міжнародна науково-технічна конференція “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, Хмельницький, Україна, 2001, С. 236-237.

10. Брайловський В.В, Іларіонов О.Е., Хандожко О.Г., Шпатар П.М. Автодинний детектор для ЯКР - термометрії// Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА-2001, Львів, Україна, 2001, С. 59-60

11. Брайловський В.В., Шпатар П.М. Конструктивні похибки ємнісних давачів// Науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу з проблем електроніки, Львів, Україна, 2002.

12. Брайловський В.В, Іларіонов О.Е., Ластівка Г.І., Шпатар П.М. Прецизійний тонкоплівковий мідний термоперетворювач опору//Третя міжнародна науково-технічна конференція “Современные информационные и электронные технологии”, Одеса, Україна, 2002, С. 224.

13. Брайловський В.В, Ластівка Г.І., Чуботару М.М., Шпатар П.М. Диференційний калориметр//Третя міжнародна науково-технічна конференція “Современные информационные и электронные технологии”, Одеса, Україна, 2002. С. 139.

14. Брайловський В.В, Іларіонов О.Є., Лесінський В.В., Шпатар П.М. Конструктивні особливості 2Т-моста// Дев'ята міжнародна науково-технічна конференція “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, Хмельницький, Україна, 2002. Том 1. С. 33-34.

15. Брайловський В.В, Ластівка Г.І., Штефюк І.В., Шпатар П.М. Адіабатичний генератор напруги// Дев'ята міжнародна науково-технічна конференція “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, Хмельницький, Україна, 2002. Том 1. С. 74-75.

16. Бзовий М.Г., Брайловський В.В., Політанський Л.Ф., Шпатар П.М. Конструктивні похибки параметричних ємнісних давачів// Вісник Національного університету “Львівська політехніка”, Електроніка, №455, 2002, С. 51-55.

17. Брайловський В.В., Іларіонов О.Є., Шпатар П.М. Безконтактний вимірювач температури// Науковий вісник Чернівецького університету, Фізика. Електроніка. Вип. 133, 2002, С. 62-63.

18. Брайловський В.В., Ватаманюк П.П., Шпатар П.М. Реєстратор ємності параметричного конденсатора з системою ФАПЧ// Науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу з проблем електроніки, м. Львів, Україна, 2003.

19. Брайловський В.В, Іларіонов О.Є., Рождественська М.Г., Шпатар П.М. Апроксимація залежності швидкості потоку в терморезистивному анемометрі// Четверта міжнародна науково-технічна конференція “Современные информационные и электронные технологии”, м. Одеса, Україна, 2003. С. 358.

20. Брайловський В.В, Жук О.П., Чуботару М.М., Шпатар П.М. Високовольтний блок функціонально змінної напруги// Десята науково-технічна конференція “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, м. Хмельницький, Україна, 2003. С. 20.

21. Брайловський В.В, Ластівка Г.І., Шпатар П.М., Ярошенко О.І. Аналітична залежність інформаційного сигналу параметричного конденсатора// Десята науково-технічна конференція “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, м. Хмельницький, Україна, 2003. С. 21-22.

22. Ярошенко О.І., Шпатар П.М., Брайловський В.В., Станіцька О.М., Ластівка Г.І. Математичне моделювання процесу передачі деформації у ємнісному дилатометрі// Науковий вісник Чернівецького університету, Фізика. Електроніка. Вип. 157, 2003, С. 101-103.

23. Шпатар П.М. Вплив дифузійних процесів на електропровідність плівок міді// Міжнародна науково-теоретична конференція молодих вчених, м. Чернівці, Україна, 2003.

24. Брайловський В.В., Ватаманюк П.П., Шпатар П.М. Реєстратор ємності параметричного конденсатора з системою ФАПЧ// Фізика і хімія твердого тіла, Т.4, №4, 2003, С. 737-742.

25. Брайловский В.В., Иларионов О.Е., Шпатар П.М. Стабильность характеристик медных пленочных термопреобразователей сопротивления // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, №1, 2004, С. 56-58.

26. Брайловський В.В., Шпатар П.М. Ємнісний дилатометр для інтервалу температур 300 - 1000 К // Науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу з проблем електроніки, м. Львів, Україна, 2004.

27. Брайловський В.В., Іларіонов О.Є., Шпатар П.М. Дослідження стабільності характеристик мідних плівкових термоперетворювачів опору// Науковий вісник Чернівецького університету, Фізика. Електроніка. Вип. 201, 2004, С. 42-44.

28. Брайловський В.В., Чуботару М.М., Шпатар П.М. Універсальний пристрій спряження ЯКР - спектрометра з ЕОМ // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. Частина 1, Том 2, 2005, С. 226-228.

29. Брайловський В.В, Шпатар П.М. Автоматизований ємнісний дилатометр для інтервалу температур 300-1000 К // П'ята міжнародна науково-практична конференція “Современные информационные и электронные технологии”, м. Одеса, Україна, 2005. С. 295.

30. Шпатар П.М. Підсистема приймання і обробки сигналів ЯКР// ІІ Міжнародна наукова конференція молодих вчених „Молодь і досягнення науки у вирішенні проблем сучасності”, м. Чернівці, Україна, 2005.

АНОТАЦІЯ

Шпатар П.М. Розробка електронних схем сенсорів теплових величин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних за спеціальністю 05.27.01 - твердотільна електроніка. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2007.

Дисертацію присвячено розробці електронних схем сенсорів теплових величин. Розроблено мідний прецизійний термоперетворювач опору з використанням тонкоплівкових технологій. Зменшення розкиду величини опору R₀ термодавачів досягається на стадії формування термочутливого елементу. Корекція величини опору R₀ здійснюється з допомогою лазерного променю. Дискретність коректуючих ланок складає 0,5Ом, що є величиною розкиду величині опору R₀ термодавача. Особливу увагу приділено вивченню часової стабільності параметрів розроблених термоперетворювачів опору.

Розроблені електронні схеми ємнісних давачів для дослідження температурного коефіцієнту лінійного розширення ємнісним дилатометром. Отримані аналітичні залежності ємності конденсаторного перетворювача від відстані між непаралельними прямокутними та круглими обкладками. Для лінійної і тривалої в часі розгортки по температурі при проведенні дилатометричних та калориметричних досліджень розроблено тепловий генератор лінійно - змінної напруги з використанням прецизійних мідних термоперетворювачів опору. На основі розроблених термодавачів створено низку приладів: безконтактний вимірювач температури, термоанемометр, пристрій для вимірювання вологості атмосфери всередині корпусів виробів електронної техніки.

Ключові слова: сенсор температури, коефіцієнт температурного розширення, термоперетворювач опору, термоанемометр.

АННОТАЦИЯ

Шпатарь П.М. Разработка электронных схем сенсоров тепловых величин - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - твердотельная электроника. - Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2007.

Диссертация посвящена разработке электронных схем сенсоров тепловых величин. Разработан медный прецизионный термопреобразователь сопротивления с использованием тонкопленочных технологий. Уменьшение разброса величины сопротивления R₀ термодатчиков достигается на стадии формирования термочувствительного элемента. Коррекция величины сопротивления R₀ осуществляется с помощью метода лазерной подгонки. Особое внимание уделено изучению временной стабильности параметров разработанных термопреобразователей сопротивления.

Разработаны электронные схемы емкостных датчиков для исследования температурного коэффициента линейного расширения емкостным дилатометром. Получены аналитические зависимости емкости конденсаторного преобразователя от расстояния между непараллельными прямоугольными и круглыми пластинами конденсатора. Исследовано влияние процесса передачи деформации калибровочного пьезоэлемента на величину перемещения пластины емкостного датчика. Разработанная математическая модель дает возможность учитывать влияние упругих свойств элементов конструкции на результаты измерения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Предложенные схемотехнические решения и программные средства позволяют автоматизировать измерения ТКЛР с точностью до 10^-9.

Для линейной и продолжительной во времени развертки по температуре при проведении дилатометрических исследований разработан тепловой генератор линейно - изменяющегося напряжения с использованием медных прецизионных термопреобразователей сопротивления. Использование теплового генератора повышает точность измерения температурного коэффициента линейного расширения в сравнении с традиционными методами сканирования по температуре.

На основе разработанных термодатчиков создан ряд приборов: бесконтактный измеритель температуры, термоанемометр, устройство для измерения влажности внутрикорпусной атмосферы изделий электронной техники.

Ключевые слова: сенсор температуры, коэффициент температурного расширения, термопреобразователь сопротивления, термоанемометр.

ABSTRACT

Shpatar P.M. Designing of electronic schemes of thermal values sensors.
-Manuscript.

The thesis for scientific degree of candidate of technical sciences on specialty 05.27.01 - Solid-state electronics. - National University “Lviv Polytechnic”, Lviv, 2007.

The dissertation is devoted to development of electronic schemes of thermal sizes sensors. Copper precision resistance thermal transducer is developed with the using of thin-tape technologies. Reduction of resistance throwing of R0 thermosensors is achieved on the stage of forming the thermoensitive element. Correction of resistance R0 is carried out with the help of laser. The discrete of correcting links - 0,5 Ohm, that is the size of throwing R0 of thermosensor resistance. The special attention is given a studying of sentinel stability of parameters at developed to resistance thermal transducer.

The developed electronic schemes of capacity sensors for research of the thermal linear expansion coefficient with helping capacitance dilatometer. Analytical dependences of the capacity of the capacity transducer from the distance between unparallel rectangular and round plates were received. For the linear and protracting temperature into time at dilatometric and calorimetric investigations was linearly - variable voltage generator on a basis of copper precision thermal transducer of resistance is developed. On the basis of developed thermal sensors the row of devices is created: device for without contact temperature measuring, thermoanemometer, device for measuring of humidity of atmosphere into the corps of wares of electronic technique.

Keywords: sensor of temperature, temperature expansion factor, resistance thermal transducer, thermoanemometer.



Підписано до друку 16.02.2007 р.

Формат60х90/16. Папір офсетний. Друк офсетний. Умовно друк. арк. 1,0

Обл.-вид. арк. 1,1. Зам. 7-п. Тираж 100

Друкарня видавництва “Рута” Чернівецького національного університету

58012, Чернівці, вул. Коцюбинського, 2