ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНО-ЧАСТОТНОГО ДАТЧИКА

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF THE TECHNOLOGY OF PRODUCTION OF RESONANCE-FREQUENCY SENSOR

Ersultan Ybyrayev

Master, Department of Physical Electronics, TUSUR,

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены проблемы улучшения характеристик резонансно-частотного сенсора. Смоделирована модель частотно-резонансного сенсора и выявлена собственная частота двух датчиков при различной дальности. На основе проведенного исследования было выявлено оптимальное расположение датчиков.

ABSTRACT

This article discusses the problems of improving the characteristics of a resonant-frequency sensor. A model of a frequency-resonance sensor is simulated and the natural frequency of two sensors is revealed at different sensor ranges. Based on the study, the optimal location of the sensors was revealed.

Ключевые слова: резонансно-частотный сенсор, собственная частота, резонатор, давление, кремниевая мембрана.

Keywords: resonant frequency sensor, natural frequency, resonator, pressure, silicon membrane.

Давление — одна из самых важных измеряемых переменных в системах управления, промышленности, биомедицинских исследованиях, поэтому датчики давления — наиболее широко используемые первичные преобразователи физических величин. Одна лишь энергетика потребляет большую часть выпускаемых таких датчиков. В гидравлических, тепловых, ядерных и других установках необходим непрерывный контроль давления для обеспечения нормального режима работы, не говоря уже о возникновении чрезвычайных ситуаций [1].

Современный резонансный сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану специальной конструкции, на которой методом эпитаксиального наращивания сформированы два резонатора Н-образной формы. Мембрана закреплена на стеклянной подложке, разность давлений от внешних разделительных мембран датчика передается на сенсор через силиконовое масло [2]. Улучшение характеристик сенсора позволяет увеличить чувствительность при измерении.

Резонансный принцип измерения давления основан на преобразовании резонатора в частоту колебаний.

Рисунок 1. Конструкция резонансного сенсора

Сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану специальной конструкции, на которой методом эпитаксиального наращивания сформированы два резонатора Н-образной формы. Мембрана закреплена на стеклянной подложке, разность давлений от внешних разделительных мембран датчика передается на сенсор через силиконовое масло. Резонаторы находятся в поле постоянного магнита, и каждый из них подключен в качестве частотно-задающего элемента в цепь обратной связи генератора переменного напряжения (рисунок 1). За счет пьезоэлектрического эффекта, которым обладает кремний, напряжение на одной паре контактов резонатора преобразуется в его деформацию, а затем обратно в напряжение на другой паре контактов. В результате в цепи генерируется синусоидальное переменное напряжение на собственной частоте резонатора, поскольку он обладает очень высокой добротностью. Кварцевые резонаторы более простой конструкции повсеместно используются в электронике в качестве высокостабильных частотнозадающих элементов. Хорошо известно, что собственная частота такого резонатора определяется только тремя параметрами: его массой, геометрическими размерами и модулем Юнга.

Собственные частоты - это определенные дискретные частоты, на которых система подвержена вибрации. Собственные частоты появляются во многих типах систем, например, в виде стоячих волн в музыкальном инструменте или в электрической цепи RLC. Здесь мы в основном описываем изучение собственных частот в механических конструкциях, но многие из понятий в целом применимы.

При вибрации с определенной собственной частотой структура деформируется в соответствующую форму, собственную моду. Анализ собственной частоты может дать только форму моды, а не амплитуду каких-либо физических вибраций. Истинный размер деформации может быть определен только в том случае, если фактическое возбуждение известно вместе с демпфирующими свойствами [3].

Рисунок 2. Схема незатухающей системы, состоящая из массы и пружины

Объектом исследования данной практической работы является резонансно-частотный сенсор, представленный на рисунке 3.

Для исследования собственной частоты была построена модель резонансно частотного сенсора (рисунок 3). Длина кремниевой подложки 5000 мкм, толщина 200 мкм. Давление для сгибания сенсора было выбрано 5 МПа, так как это давление является справочным значением реального частотного сенсора.

Рисунок 3. Результат моделирования: Геометрия резонансно частотного сенсора

Как видно из рисунка 3, резонансно частотный сенсор состоит из кремниевой подложки и двух резонаторов. На рисунке 4 представлена модель сгибания сенсора под давлением 5 МПа.

Рисунок 4. Результат моделирования: Модель сгибания сенсора под давлением

Как видно из рисунка 4 максимальный сгиб сенсора под давлением 5МПа составляет 0,9 мкм.

Также была определена собственная частота датчиков без давления и под давлением.

резонатор 2                                                    резонатор 1

Рисунок 5. Результат моделирования: Модель собственной частоты для датчиков без давления

Таким образом собственная частота для датчика 2 составила 49302 Гц, а для датчика 1 51192 Гц.

резонатор 2                                                       резонатор 1

Рисунок 6. Результат моделирования: Модель собственной частоты для датчиков под давлением

Таким образом собственная частота для датчика 2 составила 22595 Гц, а для датчика 1 22470 Гц. Далее была построена зависимость разности частоты резонаторов от расстояния для определения наименее оптимального расположения резонатора 1 (рисунок 7).

Рисунок 7. Зависимость разности частот от расстояния между резонаторами

Как видно из рисунка 7 наименее оптимальное расстояние между резонаторами лежит в пределах от 200 до 300 мкм.

Заключение:

В ходе исследования была разработана модель резонансно-частотного сенсора и собственная частота датчиков. Без нагрузки, собственная частота для датчика 2 составила 49302 Гц, а для датчика 1 51192 Гц, тогда как с нагрузкой собственная частота для датчика 2 составила 22595 Гц, а для датчика 1 22470 Гц. Также был определен оптимальный диапазон расстояния для резонаторов который лежит в пределе от 200 до 300 мкм.

Список литературы:

1. Баринов И. Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуры – М.: «Компоненты и Технологии», 2009-15с.
2. Частотно-резонансный датчик давления [Электронный ресурс]. – Режим доступа. – URL: https://studopedia.su/19_137221_chastotno-rezonansniy-datchik-davleniya.html (дата обращения 1.04.19)
3. Eigenfrequency Analysis [Электронный ресурс]. – Режим доступа. – URL: https://www.comsol.com/multiphysics/eigenfrequency-analysis (дата обращения 1.04.19)