Микроэлектронные планарные взаимоиндуктивные сенсоры для датчиков приближения проводящих объектов и проводимости жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Черевко, Сергей Алексеевич

• Черевко, Сергей Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Черевко, Сергей Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ПОЛОЖЕНИЯ, ПРИБЛИЖЕНИЯ ПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ И СОЛЕНОСТИ ВОДЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИИ.

2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСЛОВИЯ БАЛАНСА МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИБС.

2.1. Условия баланса прямоугольных планарных контуров.

2.2. Условия баланса треугольных контуров.

ВЫВОДЫ.

3. ВЛИЯНИЕ ПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ НА КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИБС.

3.1. Влияние плоских проводящих объектов на ИБС.

3.2. Влияние цилиндрического проводящего объекта на коэффициент передачи микроэлектронного ИБС.

3.3. Влияние сопротивления генератора, контуров и нагрузок на характеристики ИБС.

ВЫВОДЫ.

4. НАТУРНОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОИНДУКТИВНЫХ СЕНСОРОВ И ПОСТРОЕННЫХ

НА ИХ ОСНОВЕ ДАТЧИКОВ.

4.1. Схемы питания взаимоиндуктивных сенсоров.

4.2. Основные характеристики ИБС.

4.3. Свойства предварительно разбалансированных ИБС и небалансируемых планарных взаимоиндуктивных сенсоров.

4.4. Резонансные взаимоиндуктивные сенсоры.

4.5. Приборы определения солености воды на основе индуктивных балансных сенсоров.

4.6. Датчики положения проводящего объекта и солености воды с частотным выходом на основе взаимоиндуктивных сенсоров.

4.7. Компьютерное моделирование взаимоиндуктивных сенсоров и датчиков на их основе.

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микроэлектронные планарные взаимоиндуктивные сенсоры для датчиков приближения проводящих объектов и проводимости жидкости»

Актуальность темы. В устройствах автоматизации производства широко используются датчики приближения проводящих объектов, называемые концевыми, или бесконтактными выключателями. Обычно они содержат автогенератор с катушкой индуктивности в качестве чувствительного элемента, детектор, пороговое устройство, усилитель и управляемый мощный транзистор, при этом генератор с детектором является датчиком положения. Принцип действия датчика приближения основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в активную зону катушки индуктивности металлических или иных проводящих, ферромагнитных объектов определенных размеров. Активная зона создается электромагнитным полем катушки индуктивности, расположенной на ферритовом броневом сердечнике. Поскольку датчики приближения это изделия массового производства, то использование групповых методов изготовления, характерных для технологии микроэлектроники, должно привести к удешевлению датчиков, уменьшению их габаритов. Если электронная часть датчиков приближения легко может быть изготовлена методами микроэлектроники, то катушка индуктивности, чтобы ее изготовлять теми же методами, должна иметь планарную конструкцию и не содержать магнитного сердечника. Это может отразиться на параметрах датчика приближения.

Основными параметрами датчика приближения, связанными со свойствами чувствительного элемента, являются следующие /1/:

1. Рабочее расстояние переключения 1п между проводящим объектом и датчиком, при этом расстоянии датчик надежно работает при заданном напряжении питания и в заданном диапазоне температур.

2. Воспроизводимость точки переключения при используемом технологическом процессе изготовления датчика и изменении напряжения питания на ±5% от номинального значения, изменении температуры в пределах (15-30 °С).

3. Гистерезис переключения - это разброс параметра /„, выраженный в процентах, связанный с включением и выключением датчика.

4. Частота переключения fnep.

Для датчиков положения проводящих объектов, на основе которых строятся датчики приближения, вводится понятие чувствительности, т.е. отношение приращения выходного напряжения к приращению расстояния между проводящим объектом и сенсором.

У выпускаемых промышленностью датчиков приближения рабочее расстояние переключения ln-(0,2-0,5)D, где D — наружный диаметр катушки индуктивности, причем 1п=(1,2-35) мм. Планарные катушки индуктивности без ферритовых сердечников в датчиках приближения не использовались вследствие ухудшения параметров датчиков. Предлагается использовать не отдельно взятые планарные катушки, а совокупность из двух и более индуктивно связанных планарных катушек, составляющих взаимоиндуктивный сенсор, у которого катушки сдвинуты друг относительно друга так, что наличие сигнала на первой катушке не приводит к появлению сигнала на второй катушке. Такой вид сенсора назван индуктивным балансным сенсором (ИБС) 121. Возможность такого явления впервые замечена в /3/. Некоторые характеристики ИБС и их технические возможности рассмотрены в /4-8/. Однако не разработана методика определения баланса ИБС с катушками различной формы при различных расстояниях между плоскостями катушек, не оценено влияние на коэффициент передачи ИБС проводящих предметов, формы катушек индуктивности, рабочей частоты, не проанализированы особенности ИБС при их микроэлектронном исполнении.

Кроме ИБС в датчиках приближения возможно также использование специально разбалансированных ИБС (СРИБС) или не балансируемых взаимоиндуктивных сенсоров (НБВС). Их характеристики пока не изучены, как и датчики приближения с их использованием.

В /2/ показано, что на основе ИБС могут быть построены датчики проводимости жидкостей, датчики солености воды. Здесь использовался двухкатушечный ИБС. Однако такие датчики мало пригодны для определения солености воды естественных заземленных водоемов. Предлагается использовать трехкатушечные ИБС, позволяющие получить хорошую гальваническую развязку между электродами, помещенными в воду, и электронной частью датчика. Датчики солености воды с микроэлектронными взаимоиндуктивными сенсорами могут найти широкое применение в быту и медицине.

На основе взаимоиндуктивных микроэлектронных сенсоров могут быть реализованы микросистемы для измерения давления, силы, массы, ускорения, магнитной индукции, числа оборотов двигателей (тахометры) и многие другие.

После почти тридцатилетнего забвения микроэлектронных планарных катушек индуктивности в связи с появлением их электронных эквивалентов в последние годы появилось множество публикаций по технологии изготовления микроэлектронных планарных катушек индуктивности /9-12/. При изготовлении двухслойных планарных катушек первая катушка расположена в кремниевой подложке и получена с помощью эммитерной диффузии, вторая катушка расположена на диоксиде кремния и получена л напылением металла. Катушки занимают площадь не более 0,5x0,5 мм , имеют до 10 витков. При индуктивности порядка нескольких единиц нГн их добротность лежит в пределах от нескольких единиц до 20 на частотах от 0,1-20 ГГц.

Таким же способом можно изготовить и катушки взаимоиндуктивных сенсоров, однако их размеры могут быть увеличены до 4x4 мм2. Размеры пленочных катушек на диэлектрическом основании или оксидированном кремнии могут достигать 10x10 мм и более.

Таким образом, представляет практический интерес исследование характеристик планарных взаимоиндуктивных сенсоров (ИБС, СРИБС, НБВС), изготовленных методами микроэлектроники, изучение возможности их эффективного использования в датчиках приближения проводящих объектов, проводимости жидкости, солености воды, поскольку эти датчики находят массовый спрос.

Целью работы является разработка методики проектирования микроэлектронных взаимоиндуктивных сенсоров и определение особенностей характеристик датчиков положения, приближения проводящих объектов и проводимости жидкости.

Задачи, решение которых позволит достичь поставленные цели, состоят в следующем:

- разработка методики определения условий баланса ИБС с планарными катушками различной формы при разном расстоянии между плоскостями катушек;

- исследование влияния плоских и цилиндрических проводящих объектов на коэффициент передачи ИБС;

- исследование влияния активных сопротивлений генератора, катушек и нагрузки, рабочей частоты на характеристики ИБС;

- изучение особенностей характеристик микроэлектронных СРИБС, НБВС;

- натурное и компьютерное моделирование ИБС, СРИБС, НБВС и построение на их основе датчиков приближения проводящих объектов и проводимости жидкости.

Научная новизна:

- предложен метод определения условий баланса ИБС с планарными катушками различной формы при разном расстоянии между плоскостями катушек; выявлены особенности изменения коэффициента передачи взаимоиндуктивных планарных сенсоров под влиянием проводящих объектов и проводимости жидкости при соблюдении условий баланса и при предварительном разбалансировании;

- разработаны модели ИБС, НБВС для компьютерного моделирования датчиков приближения проводящих объектов.

Практическая ценность работы: разработаны конструкции взаимоиндуктивных сенсоров с планарными катушками, изготавливаемых по технологии полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем;

- определены особенности и достоинства датчиков приближения проводящих объектов и солености воды;

Результаты работы были использованы при выполнении гранта, финансируемого Минобразования и науки РФ, а также Американским фондом гражданских исследований и развития REC 004.

Апробация работы. Основные результаты представлялись на VIII международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, Россия, 2002 г.), на IV Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (Таганрог, Россия, 2002 г.), на IV и V международных конференциях "Современные информационные и электронные технологии" (Одесса, Украина, 2003 и 2004 гг.), на IV международной научно-технической конференции "Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе" (Баку-Сумгаит, Азербайджан, 2003 г.), на научно-практическом семинаре

Проблемы современной аналоговой микросхемотехники" (Шахты, Россия, 2004 г.).

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 6 статей и 6 тезисов докладов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод определения соотношений для относительного сдвига прямоугольных и треугольных катушек индуктивного балансного сенсора для получения баланса.

2. Закономерности изменения коэффициента передачи по напряжению индуктивного балансного сенсора с прямоугольными катушками при перемещении проводящей пластины в направлении сенсора или параллельно ему, при помещении сенсора в проводящий цилиндр.

3. Экспериментально полученные закономерности изменения выходного напряжения или частоты датчика солености воды с двумя и тремя планарными катушками.

4. Модели взаимоиндуктивных сенсоров для компьютерного моделирования датчиков приближения проводящих объектов.

Личный вклад автора. В диссертационной работе изложены результаты, которые были получены автором самостоятельно и в соавторстве, при этом автор разработал методику определения условий баланса ИБС, проанализировал влияние на коэффициент передачи ИБС проводящих объектов, сопротивления генератора, нагрузки, частоты колебаний, разработал модели сенсоров для компьютерного моделирования датчиков положения, экспериментально исследовал датчики положения, приближения проводящих объектов, датчики солености воды, осуществлял обработку, анализ и обобщение получаемых результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 70

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Черевко, Сергей Алексеевич

Выводы

В результате проведенных натурных экспериментов и компьютерного моделирования взаимоиндуктивных сенсоров и датчиков на их основе можно сформулировать следующие выводы:

1. Предварительная разбалансировка ИБС позволяет изменить характер поведения выходного напряжения датчика положения проводящего объекта на обратный (у ИБС по мере приближения проводящих пластин выходное напряжение возрастает, у разбалансированного - уменьшается), при этом в (2-3) раза сокращается зона чувствительности.

2. Небалансируемые взаимоиндуктивные сенсоры разной конструкции дают падающий характер зависимости выходного напряжения датчика положения по мере приближении проводящего объекта, чувствительность таких сенсоров в десятки раз выше, чем у ИБС, но зона чувствительности сокращена в (2-3) раза.

3. На основе взаимоиндуктивных сенсоров могут быть реализованы определители солености воды, находящейся в изолированном сосуде, а также воды естественных заземленных водоемов как с амплитудным, так и с частотным выходом, реализованные микроэлектронными технологиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выявлено с помощью предложенной методики определения условий баланса ИБС, что для ИБС с катушками квадратной, прямоугольной, треугольной и кольцевой формы, с увеличением расстояния между плоскостями катушек ИБС для получения баланса выходной контур нужно смещать в сторону уменьшения площади перекрытия обоих контуров, т.е. раздвигать катушки.

2. Показано, что передаточная функция ИБС с катушками квадратной формы, помещенного вблизи проводящей пластины, имеет максимум при определенном соотношении сторон проводящей пластины.

3. Баланс ИБС нарушается при приближении к нему проводящих пластин как с одной, так и с двух сторон. По мере приближения одной проводящей пластины к ИБС его передаточная функция возрастает.

4. При помещении сбалансированного ИБС внутрь проводящего цилиндра его передаточная функция возрастает, причем степень ее увеличения зависит от длины цилиндра и его радиуса.

5. Чувствительной областью ИБС является область перекрытия его контуров.

6. На передаточную функцию ИБС заметно влияет внутреннее сопротивление генератора, активное сопротивление катушки, сопротивление нагрузки, частота колебаний.

7. Сопротивление нагрузки третьей катушки, индуктивно связанной с ИБС оказывает существенное влияние на коэффициент передачи ИБС.

8. Предварительная разбалансировка ИБС позволяет изменить характер поведения выходного напряжения датчика положения проводящего объекта на обратный.

9. На основе ИБС могут быть реализованы определители солености воды, находящейся в изолированном сосуде, а также воды естественных заземленных водоемов. В последнем случае пригоден трехкатушечный ИБС изготавливаемый по технологии гибридных интегральных микросхем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Черевко, Сергей Алексеевич, 2005 год

1. Калантаров П.Д., Цейтлин JI.A. Расчет индуктивностей: Справочная книга. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

2. Румянцев К.Е., Негоденко О.Н., Семенцов В.И. Датчики на основе индуктивных балансных сенсоров // Известия вузов. Электромеханика. -1995.- №4. С.99-101.

3. Семенцов В.И. О проблемах индуктивных связей в многослойных тонкопленочных и печатных схемах // Радиомеханика. -1969. -т.24, №12. — С.92-95.

4. Кошелев С.Г., Негоденко О.Н., Семенцов В.И. Особенности характеристик индуктивных балансных сенсоров // Метрология. -1998. -№12. -С.23-26.

5. Кошелев С.Г., Негоденко О.Н., Семенцов В.И. Индуктивные балансные сенсоры и возможности их применения // Приборы и системы управления. -1999. -№3. -С.35-36.

6. Негоденко О.Н., Семенцов В.И., Кошелев С.Г. Технические возможности индуктивных балансных сенсоров // Известия вузов. Электромеханика. -1999. -№2. -С.45-49.

7. Негоденко О.Н., Семенцов В.И., Мардамшин Ю.П. Датчики положения и приближения на основе индуктивных балансных сенсоров // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. -2001. -№4-5. — С.53-55.

8. Негоденко О.Н., Кошелев С.Г., Семенцов В.И., Мардамшин Ю.П. Микроэлектронные индуктивные балансные сенсоры с катушками квадратной и треугольной формы // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. -2002. -№1. -С.47-48.

9. Ashby К.В. A inductors for wireless applications in a complemehtory silicon bipolar process // IEEE Solid-State Circuits. V31. -1996. -P.4-9.

10. Burghavtz J.N. e.c. RF circuit with spiral inductor on silicon // IEEE Journal of Solid-State Circuits. -V33. -№12. -1998. P.2028-2034.

11. Mohan S.S., e.c. Simple accurate expressions for planar spiral inductors // IEEE Journal of Solid-State Circuits. -V34. -№10. -1999. -P.1419-1424.

12. C.H.Chen e.c. A deep submicron CMOS process compatible suspending high-Q inductor. // IEEE Electron Device Letters, v.22. 11. -2001. - P.522-523.

13. Рекламные материалы фирмы TEKO. Челябинск. -2000.

14. Серьезное А.Н., Степанова и др. Негатроника (под ред. Степановой JI.H.). -Новосибирск: Наука, 1995. -315с.

15. Касимов Ф.Д., Негоденко О.Н. и др. Микроэлектронные преобразователи на основе негатронных элементов и устройств (под ред. Касимова Ф.Д.). -Баку: ЭЛМ, -2001.-236 с.

16. Негоденко О.Н., Румянцев К.Е. и др. Схемотехника, моделирование и применение транзисторных устройств с отрицательным сопротивлением. — Таганрог: Изд. ТРТУ. -2002 -206 с.

17. Негоденко О.Н. Аналоги негатронов в электронных устройствах. -Таганрог: изд. ТРТУ. -2004. -103 с.

18. Черевко С.А., Семенцов В.И., Негоденко О.Н. Влияние проводящих объектов на коэффициент передачи индуктивных балансных сенсоров // Информационное противодействие угрозам терроризма. Таганрог -№6 -2005 / www.contrterror.tsure.ru.

19. Черевко С.А., Семенцов В.И., Негоденко О.Н. Методика определения условий баланса индуктивных балансных сенсоров // Информационное противодействие угрозам терроризма. Таганрог -№6 -2005 / www.contrterror.tsure.ru.

20. Негоденко О.Н., Черевко С.А. Планарные взаимоиндуктивные сенсоры для датчиков положения и приближения. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. -2002 -№4-5. -С.47-49.

21. Черевко С.А., Негоденко О.Н. Датчики на основе аналогов негатронов и взаимоиндуктивных сенсоров. // Труды IV международной научно-практической конференции «Современные информационные электронные технологии». -Одесса. -2003. -С.324.

22. Негоденко О.Н., Черевко С.А. Приборы определения солености воды на основе индуктивных балансных сенсоров // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. -2003. -№2. -С.56-57.

23. Черевко С.А. Преобразователь сопротивления в напряжение с гальванической развязкой // Тезисы докладов IV Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». —Таганрог. -2002 -С.200.

24. Новицкий П.В., Корринг В.Г., Гутников B.C. Цифровые приборы с частотными датчиками. -Л.: Энергия. -1970. —424 с.

25. Негоденко О.Н., Черевко С.А. Датчики положения проводящего объекта и солености воды с частотным выходом на основе взаимоиндуктивных сенсоров // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники. -Шахты: Изд. ЮРГУЭС. -2004.

26. Негоденко О.Н., Черевко С.А. Субботовский А.Л. Электронный датчик скорости и направления ветра // Труды V международной научнопрактической конференции «Современные информационные и электронные технологии». -Одесса. -2004. -С.243.

27. Каперко А.Ф. Анализ состояния, тенденции развития и новые разработки датчиков преобразователей информации систем измерения, контроля и управления // Измерительная техника. -1998, №1. -С.3-7

28. Агеев О.А. и др. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин. -Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. -153 с.

29. Бабаян P.P. Преобразователи неэлектрических величин с частотным выходом // Приборы и системы управления. -1996, №11. -С. 24-26

30. Арш Э.И. Автогенераторные методы и средства измерений. —М: Машиностроение. -1979. -256 с.

31. Ваганов В.И. Интегральные преобразователи. -М: Энергоатомиздат. -1983.-136 с.

32. Юров А.С. Бесконтактные датчики. // Электроника: НТБ. -1999, №5. -С. 46-50

33. Экспресс информация. Приборы и элементы автоматики и вычислительной техники. Современные индуктивные датчики близости. -1990, №45. -С. 4-8

34. Экспресс информация. Приборы и элементы автоматики и вычислительной техники. Новые датчики для измерения перемещения и расстояния. -1990, №44. -С.8-12

35. Шаманин В.А. и др. Электромагнитные датчики перемещения // Приборы и системы управления. -1991, №8. -С. 2-5

36. Пчельников Ю.Н., Анненков В.В. Применение связанных арифметических спиралей для контроля отверстий // Измерительная техника. -1996, №10.-С. 17-20

37. Бабаев С.С. Датчики положения. Инженерная микроэлектроника. -1999, №10.-С. 33-36

38. Зыбайло А. Датчики положения // Электроника. -2003, №11 .-С. 3234.

39. Игнатьева Н.О. Бесконтактные датчики положения // Электроника. -2003, №12.-С. 30-33

40. Осипович JI.A. Датчики физических величин. — М.: Машиностроение, -1979. -159 с.

41. Шелепин Н.А. Кремниевые преобразователи физических величин и компоненты датчиков. Датчики и микросистемы на их основе // Микросистемная техника. -2002, №9. -С. 2-10

42. Датчики теплофизических и механических параметров. (Под руководством Ю.Н. Коптева). Том 1.(книга 2): М.: Радиотехника. -1998

43. Виглеб Г. Датчики. -М.: Мир. -1989

44. Мозолян Е. Индуктивные датчики положения фирмы Pepperl + Fuchs // Современные технологии и автоматизация. -2003, №3.-С. 6-9

45. Alan Н. е.с. Development of position sensors for macro and micro electronic devises. // Proc. SPIE. -2002. -P. 381-385

46. Субералидзе П.Ш., Валиуллин Ф.Х., Котов Н.П. Математическое моделирование взаимоиндуктивных датчиков перемещения. // Датчики и системы. -2003, №2. -С.7-10

47. Колечицкий Е.С. К расчету взаимной индуктивности плоских контуров. // Электричество. -2003., №4. -С. 60-62

48. Достанко А.П. Технология интегральные схем. Минск: Высшая школа. -1982

49. Жиров Г.А. Технология гибридных интегральных схем. Киев: Высшая школа. -1976

50. Митрофанов О.В. Конструирование гибридных и полупроводниковых интегральных схем. -М.: Высшая школа. -1983

51. Готра З.Ю. и др. Технологические основы гибридных интегральных схем. -Львов: Высшая школа. -1977

52. Митзда Ф. Интегральные схемы. Технология и применение. -М: Мир. -1981

53. Матсон Э.А. Конструирование и технология микросхем. -Минск: Высшая школа. -1985

54. Броудай И., Мерэй Д. Физические основы микротехнологии. -М.: Мир. -1988

55. Гребенникова В.Г. и др. Толстопленочная микроэлектроника. -Киев: Наукова думка. -1983

56. Гурский Л.И., Степанец В.Я. Проектирование микросхем. -Минск: Наука, техника. -1991

57. Мартынов В.В. , Базарова Т.Е. Литографические процессы.- М.: Высшая школа.-1990.

58. Бузанова Е.В. Микроструктуры интегральных элементов.- М.: Радио и связь.-1990

59. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. -М.: Радио и связь. -1990

60. Бушминский И.П. и др. Конструирование и технология пленочных СВЧ микросхем. -М.: Сов. Радио. -1978

61. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М.: Лаборатория базовых знаний. -2001. 488 с.

62. Конструирование и технологии микросхем (под редакцией Коледова). М.: Высшая школа. -1989. -231 с.

63. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем (под редакцией И.П. Степаненко). — М.: Радио и связь. -L983.-232с. . .

64. Атабеков Г.И. и другие Теоретические основы электротехники. М.: Энергия. -1966. -277 с.

65. Попов В.П. Основы теории цепей. М.: Высшая школа. -1998. -575 с.

66. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. Л.: Энергия. -1972. -816 с.