CC BY
55
Секция химии и экологии
УДК 531.782.2
В.В. Петров, Р.С. Кильметов
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ДАТЧИКА МАЛЫХ ДАВЛЕНИЙ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Распределение загрязняющих веществ в воде озер и морей в значительной степени зависит от скорости подводного течения. Особенно проблема распределения загрязняющих веществ актуальна для экологии Азовского моря, для которого характерны малые скорости подводного течения порядка 0,005-0,15 м/с. Измерение малых скоростей течения воды возможно проводить с применением метода переменного перепада давлений.
Для измерения малых скоростей течения, основанного на методе переменного перепада давления на сужающем устройстве необходим высокочувствительный датчик дифференциального давления. Наиболее чувствительными являются полупроводниковые датчики дифференциального давления. Они изготавливаются групповыми методами технологии микроэлектроники [1,2] и имеют небольшие размеры по сравнению с традиционными механическими дифманометрами.
Нами разработан усовершенствованный вариант кремниевого датчика давле-, , скорость течения жидкости.
На рисунке представлена упрощенная конструкция датчика (сенсора).
Конструкция кремниевого сенсора давления: 1 - кремниевый кристалл; 2 -мембрана; 3 - тензорезисторы; 4 - металлические контакты для внешних
выводов
В основе работы полупроводникового сенсора давления (1) лежит тензоэф-фект, которым обладают кремниевые резисторы (3), расположенные определенным образом на мембране (2) сенсора. При деформации мембраны под действием давления Р номиналы резисторов изменяют свое значение в зависимости от их расположения на мембране.
Кремниевый тензопреобразователь мембранного типа имеет четыре тензоре-зистора р-типа проводимости, которые с помощью внутренних связей соединены в . , , расположенных в противоположных плечах моста, увеличивают свое сопротивление при подаче давления, а оставшиеся два - уменьшают. Питание мостовой схемы и измерение выходного сигнала происходит с помощью контактной металлизации
В качестве исходного материала при изготовлении чувствительного элемента используется пластина кремния марки КЭФ - 4,5 диаметром 76 мм, имеющая кристаллографическую ориентацию (100). Технологический процесс изготовления интегрального чувствительного элемента включает следующие основные операции: длительное окисление до получения толщин окисла 1,8-2,2 мкм, легирование примесями бора и фосфора, совмещение изображений элементов на обеих сторонах исходной пластины и анизотропное травление, необходимое для формирования мембраны чувствительного элемента и нужного расположения тензорезисто-ров на кристалле, а также операции металлизации рабочей и нерабочей сторон кристалла для последующей установки кристалла в корпус.
Наряду со многими достоинствами кремниевые тензопреобразователи имеют
и недостатки - достаточно высокий температурный дрейф (порядка 0,1-0,3%/°С). В связи с тем что измеряемые давления малы по величине, необходимо было решить задачу повышения чувствительности сенсора и снижения влияния возмож-, .
Нами было экспериментально определено [3], что тензочувствительность 80
, -женными на них диффузионными тензорезисторами необходимой длины, ориентированными вдоль направления [110], хорошо описывается формулой
где П44 - один из главных пьезорезистивных коэффициентов кремния; а - полудлина стороны мембраны тензопреобразователя;
И - толщина мембраны.
Расчеты показали, что при создании сенсора с толщиной мембраны 7-10 мкм,
мембраны порядка 5-6 мм можно достичь высокой тензочувствительности (50-100 мкВ/Па).
Температурный дрейф нулевого сигнала зависит от следующих параметров: от величины начального разбаланса мостовой схемы, различия температурных коэффициентов линейного расширения у кремния и материала кристаллодержателя, на котором крепится кремниевый кристалл, а также от способа посадки кристалла на кристаллодержатель. Известно [1], что в результате неправильной посадки в тонкой кремниевой мембране могут возникать большие механические напряжения, приводящие к повышенному температурному дрейфу.
Начальный разбаланс мостовой схемы уменьшается при равенстве номиналов всех четырех тензорезисторов. Одинаковые величины сопротивлений тензорези-
(4).
£0 = 0,055п44
уровне легирования тензорезисторов 1 • 1019 см 3 и размере стороны квадратной
сторов достигаются тщательным проектированием топологии на ПЭВМ с применением графических редакторов.
При разработке топологии тензорезисторов учитывались как величины сопротивлений контактов металл-кремний, так и сопротивление проводников алю. -сторов с тем, чтобы обеспечить одинаковое расположение на мембране резисторов как с положительным тензоэффектом, так и с отрицательным. Кроме того, необходимо было минимизировать влияние технологического разброса удельных сопротивлений диффузных слоев. Это достигается при большом отношении длины к .
В разработанном датчике давления тензорезисторы имеют форму меандра. Резисторы имеют не только одинаковое отношение длины к ширине, но и занимают одинаковую площадь.
В нашем случае при напряжении питания 3,0 В максимальный уровень сигнала разбаланса не превышал 20 мВ. Это говорит о том, что несовпадение номиналов тензорезисторов было не выше 0,7%.
Для кристаллодержателей в датчиках давления обычно используют такие материалы, как: ковар, инвар, стекло «Пирекс» [1]. Их температурный коэффициент линейного расширения лежит в пределах (3,5-6.0)-10-6 К-1 (у кремния - 2,4-10-6 К-1).
29 - .
Анализ известных конструкций наиболее чувствительных датчиков давлений
,
промежуточную кремниевую шайбу. В этом случае уменьшаются механические , . кристалла на кристаллодержатель через кремниевую шайбу может осуществляться пайкой, приклеиванием и электростатической сваркой. Наиболее простым способом, не требующим специальных приспособлений, является приклеивание. Выбор клея тоже имеет существенное значение для уменьшения возможных механиче-. -жен иметь хорошие адгезионные свойства к кремнию и металлам.
Наш опыт показывает, что наиболее подходящим является клей на основе эпоксидной смолы Т-111, применяемый с различными отвердителями.
На основе приведенных выше предложений была разработана конструкция кристалла полупроводникового датчика малых давлений, имеющего габариты 12x12 мм2, технология его изготовления и технология посадки кристалла на кри-.
На основе разработанной технологии были изготовлены кристаллы сенсоров , -теле. После формирования внешней разводки и термоиспытаний проводились экспериментальные замеры выходной характеристики сенсора. В таблице представлена нагрузочная характеристика сенсора давления №2-5/4 с толщиной мембраны 18 мкм. Измерения проводились при питании моста напряжением 3,0 В. При малых
8,6 / 1 -
.
,
чувствительного элемента измерителя скорости течения, то при минимально измеряемой скорости течения 0,005 м/с и при напряжении питания 10 В уровень сигна-
20 . -
тральных прецизионных усилителей.
Измеряемое давление, Па 0 50 100 150 200 300 400 500 1000
Сигнал разбаланса , 18.14 16.85 15.61 14.42 13.30 11.20 9.28 7.50 0.20
Приведенный сигнал, мВ 0 1.29 2.53 3.72 4.84 6.94 8.86 10.64 17.94
Работа выполнена при частичной поддержке, обеспеченной совместным грантом Министерства образования РФ и Американского фонда гражданских исследований и развития (СКОР) №КБС-004. Грантодатели не несут ответственности за содержание материала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983. 138 с.
2. Петров В.В. Особенности конструкции чувствительного элемента датчика малых давлений. // Трудах У1-ой Международной научно-технической конференции «ПЭМ-99»: Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. С.122-123.
3. : /
(ХА., Мамиконова В.М., Петров В.В., Котов В.Н., Негоденко ОМ. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000 г. 160 с.
УДК 628.16
. . , . . , . .
ИЗМЕНЕНИЕ ВОДОРОДНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ PH ПРИ ВОДООЧИСТКЕ МЕТОДОМ ОБРАТНОГО ОСМОСА
Присутствие в воде значительного количества солей делает её непригодной для многих технических целей. Высокую степень очистки воды от солей показали , .
После установки обратного осмоса отмечается значительное снижение общей жесткости и щелочности воды. Нейтральный pH воды становится кислым (от 7,2 до 5,7).
Анализ результатов определения показателей воды позволил выяснить причины снижения pH после мембранной очистки.
В установке обратного осмоса снижение бикарбонатных ионов (НС03) приводит к диссоциации угольной кислоты. В растворе повышается концентрация ионов Н+ , проводящая к понижению pH.
На следующем этапе вода подвергается термической деаэрации (Т=1040 С ), которая представляет собой сочетание процессов теплообмена (нагрев деаэрируе-
