Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
Раздел II – Выбор и обоснование применяемых материалов и компонентов конструкции
К конструктивным относятся все материалы элементов конструкции, которые будут присутствовать в готовом изделии. Применительно к датчиковым системам это материалы чувствительного элемента, основания и крышки корпуса, присоединительных фланцев, хомутов, зажимов, линз и т.д.
К технологическим материалам следует относить те, которые участвуют в изготовлении чувствительного элемента изделия, но не присутствуют в итоговой конструкции. Это фоторезисты, травители, полировальные и шлифовальные материалы и т.д.
К компонентам конструкции следует относить изделия, применяемые в основном конструктиве, но не разрабатываемые в данном курсовом проекте. Это могут быть элементы индикации, разъемы, монтажные провода, кабели и т.д. Кроме того, в этом подразделе могут быть выбраны соединительные винты, гайки, шайбы, т.е. стандартные применяемые изделия.
При выборе материала того или иного элемента датчика следует приводить основные технические характеристики (в табличной форме) нескольких различных материалов, которые могут быть использованы для каждой конкретной части датчика и, анализируя их, выбирать определенный материал с указанием причины этого выбора.
Для примера осуществим выбор материалов и компонентов конструкции датчика давления.
Конструктивные материалы
Выбор материала подложки датчика.
Германий относится к IV группе Периодической системы элементов. Температура плавления 937ºC. Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре, при температуре выше 600ºC окисляется до двуокиси германия GeO2. Вода на германий не действует, в соляной HCl, азотной HNO3 и в холодной серной H2SO4 кислотах германий не растворяется. В твердом состоянии германий –ковалентный кристаллический материал, обладающий характерным блеском. Основные недостатки германия: малая подвижность носителей заряда, невысокая рабочая температура, а также трудность механической обработки в силу твердости и хрупкости.
Кремний – самый распространенный элемент в природе. Температура его плавления 1420ºC. При комнатной температуре он химически устойчив. В воде не растворим. Не реагирует со многими кислотами в любой концентрации. Однако хорошо растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот, кипящих щелочах. Устойчив на воздухе при нагревании до 900ºC. Выше этой температуры начинает окисляться с образованием двуокиси кремния. Недостатки кремния: высокая химическая активность, вследствие чего трудно подобрать материалы для контейнеров и тигелей для работы с ним, не очень высокая подвижность носителей заряда. Достоинства: достаточная ширина запрещенной зоны (1,12 эВ), широкая распространенность в природе.
Антимонид индия – один из самых «быстрых» полупроводников. Подвижность электронов в нем в пятьдесят раз выше, чем в кремнии. Но и «удержать» электроны в этом полупроводнике от тепловых перескоков в шесть раз труднее, чем в кремнии, – из-за малой ширины запрещенной зоны (0,18 эВ).
В настоящее время все больше внедряются в производственный процесс твердые растворы АIIIBV - арсенид галлия GaAs, обладающий более высокой подвижностью электронов и большей шириной запрещенной зоны, чем кремний. Его применяют главным образом для изготовления дискретных приборов СВЧ. Широкому применению этого материала в микроэлектронной технологии препятствует сложность его получения и обработки. Достоинства – высокое быстродействие, вследствие большой подвижности носителей заряда, а также довольно высокая ширина запрещенной зоны (1,41 эВ).
В качестве материала подложки выбирается монокристаллический кремний как один из дешевых и распространенных материалов. Монокристаллическому кремнию также присущи следующие преимущества: меньшие токи утечки в p-n переходах, более устойчивая к загрязнениям поверхность, более высокая рабочая температура по сравнению с германием (у Si Tmax=180oC, а у Ge Tmax=70oC). Свойства монокристаллического кремния представлены в табл. 3.
Таблица 3 – Свойства монокристаллического кремния
| Параметр | Численное значение |
| Число атомов в 1 см3 при 298 К | 4,99 × 1022 |
| Плотность при 298 К, г/см3 | 2,32 |
| Температура плавления, ˚ С | |
| Удельная теплоемкость при 298 К, (Дж / г × ˚ С) | 0,75 |
| Температурный коэффициент линейного расширения, ˚ С-1 | 4,2 × 10-6 |
| Ширина запрещенной зоны при 300 К, эВ | 1,11 |
| Эффективная масса электронов, отн. ед. | 0,33 |
| Подвижность µn электронов при 300 К, см2 × (В-1 × с-1) | |
| Эффективная масса дырок, отн. ед. | 0,55 |
| Подвижность µp дырок при 300 К, см2 × (В-1 × с-1) | |
| Удельное объемное сопротивление (собственное) ρv при 300 К, Ом × см | 2,3 × 105 |
| Концентрация собственных носителей, см-3 | 1,5 × 1010 |
Легирование для получения областей n- и р- типа проводимостей проведем фосфором (растворим в Si до 1,5×1021 см-3) и бором (растворим в Si до 6×1020 см-3) соответственно.
Для изготовления металлической мембраны рассмотрим несколько видов материалов.
Химический состав, технические характеристики и примерное назначение наиболее распространенных сплавов 36НХТЮ, 36НХТЮ5М, 42НХТЮ, 44НХТЮ, 36НХТЮМ8, 40КНХМВТЮ приведены в табл. 4, а их механические и физические свойства – в табл. 5.
Таблица 4 – Химический состав, технические характеристики и примерное назначение сплавов для изготовления УЧЭ
| Сплав | Химический состав | Технические характеристики | Примерное назначение |
| 42НХТЮ | 5,1-5,9 Cr; 41,57-43,5 Ni; 0,5-1,0 Al; 2,4-3 Ti; Fe – остальное | Дисперсионно-твердеющий с низким температурным коэффициент упругости до +100˚С | УЧЭ, работающие до +100˚С |
| 44НХТЮ | 5,2-5,8 Cr; 43,5-45,5 Ni; 0,4-0,8 Al; 2,2-2,7 Ti; Fe – остальное | Дисперсионно-твердеющий с низким температурным коэффициент упругости до (+180 – 200)˚С | УЧЭ, работающие до +200˚С |
| 36НХТЮ | 0,8-1,2 Mn; 11,5-13,0 Ni; 35-37 Cr; 0,9-1,2 Al; 2,7-3,2 Ti; Fe – остальное | Дисперсионно-твердеющий, немагнитный, коррозионностойкий, устойчив к агрессивным средам (парам и растворам азотной кислоты и т.д.) | УЧЭ (сильфоны, анероидные коробки, колпачки, мембраны и т. д.), работающие до +200˚С |
| 36НХТЮ5М | 0,8-1,2 Mn; 12,5-13,5 Cr; 35-37 Ni; 1,0-1,3 Al; 2,7-3,2 Ti; 4-6 Mo; Fe – остальное | Коррозионностойкий, дисперсионно-твердеющий | УЧЭ, работающие до +400˚С |
| 40КНХМВТЮ | 1,8-2,2 Mn; 11,5-13,0 Cr; 18-20 Ni; 0,2-0,5 Al; 1,5-2,0 Ti; 3-4 Mo; 39-41 Со; 6-7 W; Fe – остальное | Коррозионностойкий; немагнитный; с высоким модулем нормальной упругости; высокопрочный | Для заводных пружин наручных часов. Применяется после наклепа и последующего отпуска |
| 36НХТЮМ8 | 0,8-1,2 Mn; 12,5-18,5 Cr; 35-37 Ni; 1,0-1,3 Al; 2,7-3,2 Ti; 7-9 Mo; Fe – остальное | Коррозионностойкий в условиях тропического климата и других агрессивных сред | УЧЭ, работающие до (+400¸+500) ˚С |
Таблица 5 – Механические и физические свойства сплавов для изготовления УЧЭ
| Сплав | Механические свойства | Физические свойства | ||||||||
| σВ | σт | d, % | HB | Е, МПа | lВ, Дж/(см×с×К) | aЭ. ср., °С | g, г/см3 | r, мкОм×м | ||
| МПа | ||||||||||
| 42НХТЮ | – | 0,146 | 9,5 | 10,8 | – | 1,0 | ||||
| 44НХТЮ | 0,154 | 8,0 | 9,0 | 0,98 | ||||||
| 36НХТЮ | 1400¸ | 1300¸ 1450 | 8¸12 | 330¸350 | 190000¸ | – | 12¸ | – | 7,9 | 0,9¸1,0 |
| 36НХТЮ5М | 1400 ¸ 1750 | 1300¸ 1600 | 5¸10 | 400¸ 420 | 200000 ¸ 210000 | 0,154 | 12¸ | 9,0 | 8,0 | 1,0¸1,1 |
| 36НХТЮМ8 | 1400 ¸ 1900 | 1300 ¸ 1600 | 5¸10 | 420¸ 450 | - | - | 8,3 | |||
| 40КНХМВТЮ | 2000 ¸ 2200 | 1900 ¸ 2200 | 4¸6 | 550¸ 600 | 14¸ | 8,5 |
Из приведенных в таблицах 4 и 5 свойств различных материалов видно, что для изготовления мембраны датчика наиболее подходит сплав 36НХТЮ, так как является коррозионностойким и устойчивым к агрессивным средам.
Для изготовления корпуса изделия возможно применение коррозионно-стойкой стали. Их свойства приведены в табл. 6.
Таблица 6 – Химический состав и механические свойства коррозионно-стойких сталей
| Содержание основных элементов, % | Механические свойства | |||||||
| Сталь | С | Cr | Ni | σв | σ0,2 | δ | ψ | |
| Мпа | % | |||||||
| Стали мартенситного класса | ||||||||
| 20X13 | 0,16-0,25 | 12-14 | - | - | ||||
| 30X13 | 0,26-0,35 | 12-14 | - | - | ||||
| 40X13 | 0,36-0,45 | 12-14 | - | - | ||||
| Стали мартенситного - ферритного класса | ||||||||
| 12X13 | 0,09-0,15 | 12-14 | - | - | ||||
| Стали ферритного класса | ||||||||
| 12X17 | 0,12 | 16-18 | - | - | ||||
| 15X25T | 0,15 | 24-27 | - | 5 C-0,9 Ti | - | |||
| 015Х17М2Б | 0,015 | 16,5-18,5 | - | 1,5-2,0 Mo | ||||
| 0,3-0,5 Nb |
В качестве материала корпуса и ниппеля для присоединения датчика к соединительной трубке (например, газо или нефтепровода) выбирается коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса 20X13 ГОСТ 5632-72, так как эта сталь обладает хорошей стойкостью против коррозии.
Кроме того, в датчике будут использованы: печатная плата, несжимаемая жидкость, провода, материалы крепления (клей, припой).
В качестве печатной платы используется фольгированный стеклотекстолит СФ-1-35Г-1 ГОСТ 10316-78. Выбор данного материала не принципиален, так как корпус, где установлена плата, должен быть герметичным. Поэтому особых требований к данному материалу не предъявляется.
Для соединения кристалла и печатной платы используется серебренная проволока, как обладающая очень высокой проводимостью 1,59 мкОм×см (0°С) и малой химической активностью. Для соединения платы с внешним разъемом будем применяются медные провода марки МГШВ диаметром 0,12 мм. Этот провод применим для стационарного и подвижного монтажа внутриблочных и межблочных соединений в электронных и электрических устройствах. Припой ПОС-61.
При выборе способа крепления упругого чувствительного элемента следует учесть критерий совместимости с материалами корпуса, мембраны и несжимаемой жидкости. Из табл. 7 выбирается клей фенолкаучуковый, как обладающий большим пределом прочности (сдвиг, отрыв около 20 МПа) и отличной водостойкостью.
Таблица 7 – Физико-механические свойства конструкционных смоляных клеев
| Тип клея | Предел прочности, МПа | Тепло- стойкость, °С | Водостой- кость | Темпер. склеив., °С | ||
| при сдвиге | при равно-мерном отрыве | при неравно-мерном отрыве | ||||
| Фенолоформальдегидный | 13-15 | - | - | 60-100 | Хорошая | 20 или 50-60 |
| Фенолокаучуковый | 14-25 | 17-20 | 3-5 | 200-350 | Отличная | 165-205 |
| Фенолополивенилацеталевый | 17-18 | 36-60 | 0,8-1,2 | 200-350 | Хорошая | |
| Фенолополивенилбутеральный | 32-35 | 60-80 | Удовл. | 120-140 | ||
| Фенолокремнийорганический | 12-17 | 28-30 | - | 250-600 | Хорошая | 180-200 |
| Эпоксидный | 10-30 | 10-60 | 1,0-1,5 | 60-350 | Удовл. | 20(80-210) |
| Полиуретановый | 11-20 | 22-35 | 2,5-3,0 | 60-100 | Хорошая | 18-25(105) |
| Полиуретановый карборансодержащий | 10-20 | - | - | 350-1000 | Хорошая | |
| Кремнийорганический | 9-17,5 | 15-22 | 0,8-2,0 | 350-1200 | Удовл. | 180-270 |
| Полибензимидазольный | 15-30 | - | 350-540 | Отличная | 150-400 | |
| Полиимидный | 15-30 | - | 300-375 | Отличная | 180-260 |
Необходимо обеспечить герметичность отдельных частей прибора. От правильного выбора герметика будет зависеть правильность работы датчика, а именно погрешность измерения, связанная с текучестью. В настоящее время для герметизации существует обширный набор герметиков. Выбор конкретного типа герметика зависит от условий эксплуатации, температуры, механических напряжений, рабочей среды и т.д. В табл. 8 приведены физико-механические свойства некоторых герметиков.
Таблица 8 – Физико-механические свойства герметиков
| Герметики | Плотность, кг/м3 | Пред. прочн., МПа | Удлинение | Рабочая темпер., °С | Рабочая среда | |
| Относит. | Остат. | |||||
| Тиоколовый (УМ-30М) | 1200- | 2,9- 3,4 | 300- | 2- | от -42 до +130 | Топливо, масло |
| Кремний- органический | 1020- | 1,5- 4,5 | 150- | 0- | от -60 до 300 | Различные клим. усл. |
| Фторкаучу- ковый | 1600-3200 | 7- | 120- | 20- | от -20 до 250 | Топливо, агрес. усл. |
| Эпоксидный | - | 6- | - | - | от 60 до 75(140) | Тропичес- кие усл. |
Выбирается герметик кремний-органический, так как может использоваться в различных климатических условиях.
В качестве несжимаемой жидкости используется кремний-органическая жидкость (КОЖ) марки DC-561, которая имеет преимущества перед другими жидкостями при при низких температурах окружающей среды. КОЖ совместима с целлюлозной и полиамидной бумагой и картоном, полиэфирной, полиимидной, полипропиленовой и полиэтиленовыми пленками, политетрафторэтиленом, фторсиликоном, амидным, амидно-имидным и полиэфирным лаками, кремний-органическими эпоксидными смолами, полиэфирными смолами и металлами. Основные свойства DC-561приведены в табл. 9.
Таблица 9 – Основные свойства кремнийорганической жидкости DC-561
| Параметры | Кремнийорганические жидкости |
| DC-561 | |
| SF97(50) | |
| Пробивное напряжение, кВ | |
| Диэлектрическая проницаемость при 20°С | 2,7 |
| tg угла диэлектрических потерь при 90°С | 0,005 |
| Удельное электрическое сопротивление, Ом·см | 1·1015 - 2·1013 |
| Удельная теплоемкость, кДж/кг К | 1,45-1,54 |
| Плотность при 20°С, г/см3 | 0,96 |
| Вязкость | |
| При 25°С | |
| При 100°С |
Чтобы обеспечить искро- и взрывобезопасное исполнение необходимо применение уплотнительных прокладок, которые будут изготовлены из резины НО-68-1.
Технологические материалы
При проектировании микроэлектронных изделий производят совокупность определенных процессов, таких как фотолитография, легирование, очистка и др. При проведении этих процессов пользуются вполне определенным набором веществ. При проведении процесса фотолитографии используются фоторезисты, основные виды которых представлены в табл. 10.
Таблица 10 – Характеристики фоторезистов
| Марка фоторезиста | Разрешающая способность при толщине слоя 1 мкм | Кислотостойкость по плотности дефектов, мм-2, не более | Стойкость к проявителю, с | Кинематическая вязкость в состоянии поставки при 20°С |
| ФП-307 ФП-309 ФП-330 ФП-333 ФП-334 ФП-383 ФП-РН-7 ФП-617 ФП-617П ФП-626 ФН-106 ФН-108 | 0,35 0,5 0,75 0,2 0,2 0,2 0,2 0,05 0,005 0,005 0,4 0,25 | - - - | 5,9 4,5 6…2,5 2…2,5 21…26 8…15 20,5…25,5 3,5 |
В технологическом процессе производства датчика давления используется фоторезист ФП307, имеющий высокую разрешающую способность.
Компоненты конструкции
В датчике давления будет применен индикатор CA04-41SRWA – рис. 4.
Рисунок 4 – Внешний вид светодиодного индикатора CA04-41SRWA
Характеристики данного индикатора следующие:
Материал: GaAlAs
Цвет свечения: красный
Длина волны, нм: 640
Минимальная сила света Iv мин., мКд: 8
Максимальная сила света Iv макс., мКд: 18
При токе Iпр., мА: 10
Количество сегментов: 7
Количество разрядов: 4
Схема включения.: Общ. анод
Высота знака, мм: 10,16
Максимальное прямое напряжение, В: 2,5
Максимальное обратное напряжение, В: 5
Максимальный прямой ток, мА: 30
Максимальный импульсный прямой ток, мА: 155
Рабочая температура, С: минус 40…85
Для крепления элементов датчика использованы винты B2.M3,5-6gxl4.109.30XГCA ГОСТ 17474-80. Для крепления печатной платы к корпусу – винты В2.M3-6gx4.109.30XГCA ГОСТ 17473-80.
Date: 2015-10-19; view: 390; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА... |