Оптоэлектронные датчики

При измерении низких давлений или для повышения динамического диапазона применяются толстые мембраны, для получения заданных значений величина перемещения диафрагмы недостаточна. Рабочие характеристики пьезорезистивных и емкостных датчиков сильно зависят от температуры, что требует использование дополнительных цепей температурной компенсации. Оптические методы измерения обладают рядом преимуществ: простотой, низкой температурной чувствительностью, высокой разрешающей способностью и высокой точностью. Перспективны оптоэлектронные датчики, где используется интерференция света. Они используют принцип измерения малых перемещений Фабри-Перо.

В состав датчика входят: пассивный кристалл оптического преобразователя давления с диафрагмой, светоизлучающий диод (СИД) и кристалл детектора. Детектор состоит из трех р-n фотодиодов, к двум из которых пристроены оптические фильтры Фабри-Перо, имеющие небольшую разницу по толщине. Это кремниевые зеркала с отражением от передней поверхности покрытые SiO₂, на поверхность которых нанесен слой Al.

Оптический преобразователь похож на емкостной датчик давления с отсутствием конденсатора. Диафрагма, сформированная методом травления в подложке из монокристаллического кремния покрыта слоем металла. Между стеклянной пластиной и кремниевой подложкой существует зазор, получаемый при помощи двух прокладок.

Интерферометр Фабри-Перо состоит из: подвижное зеркало, расположенное на мембране и меняющее свое положение при изменении давления и стационарное полупрозрачное зеркало на стеклянной пластине. Т.к. зазор связан с внешним давлением линейной зависимостью, длина волны отраженного излучения меняется при изменении давления.

Детектор работает как демодулятор, электрический выходной сигнал которого пропорционален приложенному давлению. Он является оптическим компаратором, сравнивающим высоту рабочей камеры датчика давления и толщину виртуальной камеры, сформированной за счет разности высот двух фильтров. Когда размеры этих двух камер равны, то ток фотодетектора будет максимальным. Фотодиод без фильтра используется в качестве эталонного диода, отслеживающий полную интенсивность света, поступающего на детектор. Данный датчик давления нелинейный, поэтому он встраивается в микропроцессорную систему, на которую наложены функции линеаризации. Аналогичные оптические датчики давления реализуются на основе оптоволоконных светодиодов.

Вакуумные датчики

При производстве подложек для микроэлектронных устройств необходимо измерять очень низкие давления. Без таких измерений не обходятся и при проведении научных экспериментов, например в космических исследованиях. Термин вакуум означает давление ниже атмосферного, но, как правило это полное отсутствие давления газов. Абсолютный вакуум получить невозможно. Вакуум можно измерять традиционными датчиками, при этом будут регистрироваться отрицательные значения давления по отношению к атмосферному и это неэффективный подход. Обычные датчики не могут определять очень низкие концентрации газов из-за низкого отношения сигнал/шум. А работа измерителей вакуума основывается на некоторых физических свойствах молекул газов и заключаются в определении числа молекул в заданном объеме. К таким физическим свойствам относятся: теплопроводность, вязкость, ионизация и др.

Вакууметры Пирани

Это датчики, измеряющие давление по теплопроводности газа. В конструкцию простейшего датчика Пирани входит нагреваемая пластина. Измерение вакуума заключается в определении количества тепла, теряемого этой пластиной, которое зависит от давления газа. Работа основывается на открытии Марианна Ван Смолючовски, установившего, что при нагреве объекта его тепловые потери делятся:

G=G₀+G_g=G_s+G_r+akPP_t/P+P_t, (5.16)

где G_s- теплоотдача в теплые окружающие среды,

G_r – радиационная теплопередача,

а – площадь нагреваемой пластины

k – коэффициент, характеризующий свойства газов,

P_t- максимальное давление, измеряемое данным датчиком

Первые два члена – паразитная теплопроводность, а третий соответствует передаче тепла газу. На рис. 5.14а показано влияние различных факторов на тепловые потери нагреваемой пластины. Пари отсутствии паразитных теплопотерь теплопроводность газа снижается вплоть до абсолютного вакуума. При разработке таких устройств стараются минимизировать факторы, влияющие на паразитные потери.

либо используют конструкцию с подвешенной нагреваемой пластиной для уменьшения теплового контакта с корпусом датчика, либо применяют дифференциальный метод снижения влияния G_0.

Существует несколько конструкций да-

тчиков Пирани, используемых в вакуумной

технике. В состав некоторых из них входят две

пластины, находящиеся при разных температ-

урах. В таких датчиках давление газа определ-

яется по количеству энергии, затраченной на нагрев пластин. Другие датчики используют только одну пластину, при этом теплопроводность газа измеряется по величине теплопотерь в окружающие стенки. Для измерения температуры в состав датчиков обычно входят либо термопары, либо платиновые терморезисторы. На рис.10.15 показан дифференциальный вакуумметр Пирани. Камера датчика разделена на две идентичные секции. В одной из секций газ находиться при эталонном давлении (например, при 1 атм = 760 торр), а вторая расположена в вакуумной камере, давление в которой необходимо измерить. В каждой камере есть нагреваемая пластина, которая для уменьшения кондуктивной теплопередачи через окружающие твёрдые предметы подвешена на очень тонких соединительных элементах.

Желательно, чтобы обе камеры имели одинаковую форму, конструкцию и размеры, для того чтобы кондуктивные и радиационные потери тепла в них были идентичными. Чем симметричнее конструкция камер, тем лучше компенсируется паразитные теплопотери G_0.

Пластины нагреваются при помощи электрических нагревателей. В рассматриваемом датчике нагревательным элементом является термистор с отрицательным температурным коэффициентом ОТК (см. главу 16). Сопротивления термистров равны и имеют сравнительно низкий номинал, поэтому в них возможно протекание процесса саморазогрева Джоуля (см. рис. 16.11 главы 16)

Эталонный термистор S_r включен в схему самобалансирующего моста в состав которого входят резисторы R_r R_j R₂ и ОУ. Мостовая схема автоматически выводит температуру термистора S_r на постоянный уровень Т_r, определяемый сопротивлениями резисторов моста на который окружаемая температура не оказывает ни какого влияния. Отметим, что уравновешивание мостовой схемы осуществляется при помощи цепей как положительной так и отрицательной ОС, включенных относительно её плечей. Конденсатор С не допускает возникновения в схеме колебательных режимов. Тоже самое напряжение Е, которое используется для нагрева эталонной пластины, подается на термистор S_v, расположенный на чувствительной пластине, через резистор R_v, равный резистору R_r. Выходное напряжение снимается относительно чувствительного термистора и моста. Передаточная функция такого датчика показана на рис. 10.14Б. Вакууметрам иногда приходится работать с газами, которые могут загрязнить их чувствительную пластину, поэтому в их состав также должны входить соответствующие фильтры.