3. Конструкторская часть
3.1. Особенности конструкции устройства для измерения венозного давления
В рамках конструкторской части дипломного проекта принято рассматривать задачи выбора и обоснования основных конструкторских и схемотехнических решений разрабатываемого устройства. В частности в данном разделе особое внимание будет уделено особенностям конструкции датчика венозного давления и особенностям выбора функциональных и принципиальных электрических схем устройства.
Определяющее влияние на достижение заданных метрологических характеристик разрабатываемого устройства для измерения венозного давления имеет датчик давления. С целью обоснования выбора его конструкторских решений рассмотрим основные тенденции развития принципов конструктивного построения датчиков давления в области давлений от 10 до 70 мм.рт.ст.
Технические характеристики проектируемого устройства:
- допустимая погрешность измерения давления, %.........................................4;
- частотный спектр выходного сигнала, Гц……………………………..0,1…5;
- частотный спектр помехи, Гц………………………………………….10…50;
- уровень помехи, мВ………………………………………………………….10.
Анализ и исследование проведем с учетом заданного диапазона измеряемых давлений и требуемой точности измерения.
Целью является выбор такой конструкции, которая имеет: наивысшую чувствительность к силовым деформациям, наименьшую чувствительность к температурным деформациям, хорошую реализацию воспроизводимости от образца к образцу, то есть выбор таких технологических приемов, которые позволят обеспечить конкурентоспособность разработанной конструкции датчика по сравнению с зарубежными аналогами.
Отличительной особенностью современного типа датчиков давления является реализация их дифференциального преобразователя в интегральном исполнении, причем известны различные уровни исполнения [2.16]. В данном дипломном проекте используется первый уровень реализации, при котором можно объединить мембрану и тензорезистор.
Наиболее распространенными конструкциями упругих элементов, обеспечивающих высокие характеристики преобразователей, являются мембраны и балки. При воздействии давления на жестко закрепленную по контуру мембрану на ее поверхности возникают зоны с механическими напряжениями сжатия и растяжения. Тензорезисторы размещаются в этих зонах и соединяются в мостовую схему. При этом одновременно достигается компенсация температурной погрешности.
Плоские тонкие мембраны нашли широкое применение в разработанных датчиках для измерения давления [2.23].
Жесткое закрепление мембраны обеспечивает стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Осуществляется жесткое закрепление мембраны диффузионной сваркой или пайкой высокотемпературным припоем к прочному металлическому корпусу. Современный уровень технологии позволяет получать модули, у которых корпус и мембрана выполняются как одно целое. Мембраны при этом могут иметь круглую или квадратную форму.
Основные структуры известных интегральных преобразователей давления представлены на рис.3.1.
Структура а, рис.3.1 отличается простотой и минимальной стоимостью исходного материала. Недостатком является сравнительная сложность обеспечения воспроизводимости и контроля толщины упругого элемента. Такой структурой обладают максимальное количество преобразователей, описанных в литературе.
Структура б, рис.3.1 отличается несколько более высокой стоимостью исходного материала. Представляет собой пластину с подложкой n+ - типа и n- -эпитаксиальным слоем. Обеспечивает хорошую воспроизводимость и простоту контроля толщины упругого элемента преобразователя за счет использования специальных видов травления, самотормозящегося на границе п - - п+.
Наиболее распространенными конструкциями упругих элементов, обеспечивающих высокие характеристики преобразователей, являются мембраны и балки. При воздействии давления на жестко закрепленную по контуру мембрану на ее поверхности возникают зоны с механическими напряжениями сжатия и растяжения. Тензорезисторы размещаются в этих зонах и соединяются в мостовую схему. При этом одновременно достигается компенсация температурной погрешности.
Рис.3.1. Основные структуры известных интегральных преобразователей
Структура д, рис.3.1 целесообразна для создания преобразователей, работающих в широком температурном диапазоне благодаря окисной изоляции тензоэлементов. Упругий элемент может быть отделен от основания слоем двуокиси кремния, что так же, как и в предыдущей структуре, позволяет просто обеспечивать хорошую воспроизводимость толщины упругого элемента.
Структуру ж, рис.3.1 часто называют в литературе “кремний на сапфире” или “КНС-структура”. Особенность этой структуры и сравнение ее с чисто кремниевыми структурами позволяет сделать следующие выводы:
Производство КНС-преобразователей целесообразно и оправдано только когда необходимо обеспечить:
- большой температурный диапазон;
- работу в агрессивных средах;
- хорошую электрическую изоляцию от среды;
- повышенную радиационную стойкость.
Кремниевые преобразователи, в первую очередь с точки зрения доступности исходного материала максимального использования стандартной технологии и существующего технологического оборудования, более перспективны для массового промышленного производства.
На рис.3.3. показан пример интегрального тензопреобразователя (ИТП) давления [2.16]. Преобразователь состоит из кремниевой пластинки, ориентированной в плоскости (100), в которой имеется тонкая мембрана, на которой с помощью планарной технологии изготовлена интегральная схема. Одно плечо схемы состоит из центрального транзистора и двух резисторов, один из которых соединяется токоведущей дорожкой с коллектором транзистора, а другой с базой.
Рис.3.3. Интегральный преобразователь давления с МОП –
тензотранзисторами (МИФИ)
Другое плечо схемы образовано транзистором и резисторами, расположенными в центральной части одной из сторон квадратной мембраны, знаки тензочувствительности соответствующих компонентов в разных плечах схемы (транзисторов, коллекторных и базовых резисторов) противоположны. За счет этого удается еще вдвое повысить чувствительность. В частности, такая схема обладает следующими основными характеристикам: габаритные размеры кристалла 3х3х0,1мм; размеры мембраны 1х1х0,01мм; чувствительность 2 - 3 мВ/(кПаВ).
Интегральный преобразователь давления на основе МОП - тензо-транзисторов. Физически МОП-транзистор можно рассматривать как достаточно высокоомный резистор, сопротивление которого управляется потенциалом затвора. Поэтому наряду с тензорезистивным эффектом в МОП -транзисторе существенна зависимость плотности поверхностного заряда на границе Si - Si0; от механических напряжений. Малые размеры МОП-транзисторов и их самоизоляция на общей подложке делают эти тензочувствительные приборы весьма перспективными для интегральных преобразователей.
На рис.3.4 показана микрофотография интегрального преобразователя давления с МОП - тензотранзисторами. Кристалл преобразователя, ориентированный в плоскости (100), содержит квадратную мембрану с расположенными на ней МОП - тензотранзисторами с различной ориентацией (радиальной и тангенциальной) канала относительно края мембраны.
Рис.3.4. Продольная микроконструкция преобразователей относительного (а), абсолютного избыточного (б) давлений:
1- соединительный слой; 2 – крышка; 3 - атмосферное давление;
4 - основание; 5 - мембрана; 6 - полость эталонного давления
Соотношение ширины канала к длине равно 150 при длине канала по шаблону, равной 20 мкм. Кроме того, на мембране расположена полная тензорезисторная мостовая схема. Размер кристалла 3,25х3,25х0,3 мм; размер мембраны 1,5х1,5х0,02 мм; чувствительность, определенная как отношение относительного изменения тока стока к давлению, до 0,1%/кПа.
Тензорезисторные плоские преобразователи относительного и абсолютного давления. В зонде для измерения внутрисердечного кровяного давления, кристалл чувствительного мембранного элемента крепится в торце катетера перпендикулярно его оси. В МИФИ предложен и разработан другой вариант конструкции катетерного преобразователя, в котором плоскость мембраны параллельна оси катетера и кристалл преобразователя расположен вдоль нее (рис.3.4).
Главные конструктивные части преобразователя кремниевое основание, на котором расположен упругий элемент (тонкая квадратная мембрана) со сформированными на нем тензочувствительными элементами, и крышка, обеспечивающая подачу эталонного давления. В качестве него может быть выбрано атмосферное давление, фиксированное давление или вакуум. Соответственно, преобразователи будут относительного, избыточного и абсолютного давлений.
В первом случае крышка преобразователя имеет отверстие сбоку для сообщения с атмосферой (рис.3.4, а). В преобразователях избыточного и абсолютного давлений между крышкой и основанием образуется замкнутая полость с эталонным давлением (рис.3.4, б). Оба конструктивных элемента - крышка и основание изготовляются из кремния с использованием планарной технологии.
В последнее время в литературе описываются тонкопленочные металлические и полупроводниковые тензодатчики, изготавливаемые методом напыления. В качестве материала для получения пленок используются: Cr – Si, Ni – Cr, Si и Ge, напыляемые на полированную поверхность кварцевой или слюдяной пластины.
Все большее применение находят упругие элементы из кристаллического кремния, конструктивно выполненные в виде мембран. Изготовление тензодатчиков осуществляется напылением тонких пленок, изолированных от поверхности упругого элемента с помощью промежуточного покрытия из окиси кремния.