Для создания автоматизированных систем управления в различных областях народного хозяйства начинают широко применяться различные датчики, в том числе датчики перемещения предметов (ДПП). В настоящее время они используются в металлорежущих станках с программным управлением, подъемных кранах, конвейерах и в различных транспортных системах и радиоэлектронике. [2]

Принципы работы ДПП основываются на различных физических явлениях: изменениях емкости и электромагнитной индукции, гальваномагнитном эффекте и др.

Особую ценность для автоматики эти датчики представляют благодаря возможности бесконтактной связи между элементами в устройствах, что позволяет исключить механические и электрические связи. [2]

Датчики движущихся предметов, работающие на основе фотоэффекта (фотореле), потребляют большую мощность, чувствительны к пыли и грязи, что затрудняет их эксплуатацию. ДПП, использующие емкостные явления, имеют большие габаритные размеры и довольно сложные конструкцию и электрическую схему. Относительно широкое применение получили ДПП, работающие на основе электромагнитной индукции. Они могут обнаружить металлические предметы на расстоянии до 10 мм. Основной недостаток таких ДПП - большие размеры чувствительных элементов (катушек).

Датчики движущихся предметов, использующие гальваномагнитные явления, отличаются высокой чувствительностью, надежностью, малыми габаритными размерами и малой потребляемой мощностью, простотой конструкции. Они делятся на две группы. К первой относятся ДПП, срабатывающие при перемещении предметов из магнитомягкого материала, ко второй - ДПП, срабатывающие при перемещении предметов из немагнитного материала с укрепленными на них постоянными магнитами. [2]

Датчики движущихся предметов на основе эффекта Холла, в отличие от ДПП на магниторезисторах, чувствительны к направлению перемещения предметов. ДПП на датчиках Холла и магниторезисторах, обладая определенными преимуществами, имеют существенный недостаток - малые значения выходного сигнала, что затрудняет построение электрических схем, формирующих электрические сигналы.

В последние годы для повышения надежности и точности, стойкости к воздействиям окружающей среды (в том числе к вибрациям и ударам), долговечности в ДПП начали использовать магнитодиоды. При прочих равных условиях ДПП на магнитодиодах позволяет получать выходной сигнал, превышающий сигналы на датчиках Холла и магниторезисторах более чем на порядок.

1. Анализ исходных данных и формирование расширенного технического задания

1.1 Анализ исходных данных

В данном курсовом проекте было предложено разработать конструкцию и технологию изготовления датчика определения перемещения предмета до 15мм на основании магнитной системы и магнитодиода с габаритными размерами Ø15×15мм. Измерить перемещение предмета до заданного расстояния, ограничиваясь заданными габаритами датчика не представляется возможным, поскольку в корпусе надо учитывать размеры системы магнита и магнитодиода и размеры на их крепление.

Осуществления определение заданного перемещения датчиком можно достичь двумя способами:

применения миниатюрных редукторов и систем рычагов в датчике;

редактирование габаритных размеров датчика.

Первый способ оставляет без изменения габаритные размеры, но имеет ряд недостатков: он менее технологичен, увеличивается трудоемкость и требуется высокая точность при изготовлении, в датчике будет наблюдаться увеличение погрешности с увеличением срока службы из-за наличия трущихся элементов конструкции в виду этого датчик будет обладать низкой надежностью.

Поэтому на основе расчетов магнитной системы и магнитодиода, исходя из предложенного нам измерения перемещения предмета мы примем минимальные из расчетных габаритные размеры датчика.

Предложенный нам материал чувствительного элемента арсенид галлия полностью удовлетворяет всем параметрам по условию задания, а именно температурным пределам от минус 40 до плюс 80 °С.

Применение датчика в металлорежущих станках с программным управлением, подъемных кранах, конвейерах и в различных транспортных системах с повышенными виброударными нагрузками требует при проектировании конструкции более жестких требований, например на материал конструкции, толщину элементов, способ крепления датчика и крепление узлов между собой.

1.2 Расширенное техническое задание

1. Наименование изделия: “Датчик определения перемещения движущегося предмета ” (ДПП).

2. Датчик представляет собой систему определения перемещения движущегося предмета на основании дипольной магнитной системы и магнитодиода. Габаритные размеры системы Ø15×15мм.

3. Датчик представляет собой законченное устройство.

4. ДПП подключается к электроизмерительными приборам.

5. Диапазон измеряемых перемещений составляет 1-15мм.

6. Рабочее напряжение 2В.

7. Напряжение Холла 2,5В.

8. Ток питания магнитодиода 0,25мА.

9. Материал тела магнитодиода - арсенид галлия с удельным сопротивлением 25кОм·см.

10. Концентраторы магнитного потока должны быть изготовлены из магнитомягкого материала и не должны перенасыщаться под действием поля постоянного магнита.

11. Коэффициент применяемости - не менее 0,6.

12. Устройство относится к группе возимой РЭА, устанавливаемой в автомобиле, стационарной, устанавливаемой на станках с ЧПУ.

13. Характеристики внешних воздействий одинаковы для режимов хранения, перевозки и работы. Температура окружающей среды может изменяться от минус 40 до плюс 85 °С. Относительная влажность до 80% при температуре плюс 25°С. Пониженное атмосферное давление - 61 кПа.

14. Среднее время наработки на отказ должно быть не менее 20 тыс. час.

15. Конструкция устройства должна предусматривать работу оператора с ним без применения специальных мер обеспечения безопасности.

16. Ориентировочная программа выпуска - 800000 приборов в год.

2. Выбор и обоснование применяемых материалов и компонентов конструкции

Важную группу полупроводников составляют ковалентно-ионные соединения типа А111ВV и ионно-ковалентные соединения типа АIIВVI, кристаллизующиеся в алмазоподобной решетке, а также некоторые другие, например AIVБVI. Наиболее разработаны и перспективны арсенид и фосфид галлия и фосфид и антимонид индия. Свойства монокристаллических GаАs, GаР, а также Gе и Si приводятся в табл.2.1 [1]

Таблица.2.1

«Алмаз» «Цинковая обманка»

Наименование параметра

Значение параметра

GaAs

GaP

Тип кристаллической структуры

Параметр решетки, нм

Температура плавления, К

Предельная рабочая температура, К

Подвижность электронов

при 300 К, см2/ (В·с)

Подвижность дырок при

300 К, см2/ (В·с)

Ширина запрещенной зоны

при 300 К, эВ

Удельное сопротивление

(собственное) при 300 К, Ом·см

Концентрация носителей ni при 300 К

ТКЛР (300 К), К-1

Коэффициент теплопроводности, Вт/ (м·К)

Диэлектрическая проницаемость έ

Плотность, г·см-3

0,543

1683

420

1400

475

1,12

2·105

1,45·1010

2,6·10-6

140

11,6

2,3

0,566

1210

370

3900

1900

0,67

2,4·1018

,75·10-6

15,8

5,5

0,565

1511

670

8500

400

1,43

109

6·108

6,9·10-6

10,9

5,5

0,545

1640

1170

150

2,24

108

5,8·10-6

13,3

Наиболее перспективным полупроводниковым материалом для изготовления датчиков является арсенид галлия, который сохраняет работоспособность при более высоких температурах. В этом материале достаточно высокое значение постоянной Холла, что обусловливает хорошую чувствительность датчиков из GaAs. На основе GaAs возможно создание датчики, длительно работающих при температуре до 250 °С и кратковременно работающих при температуре до 300 °С. К важным достоинствам датчиков из GaAs относится также высокая линейность выходного сигнала по магнитной индукции (нелинейность не более 1-1,5%). [2]

Подвижность электронов GaAs примерно в шесть раз выше, чем в кремнии. Именно это обстоятельство привлекло большие исследовательские силы к разработкам ИС на GaAs.

Эпитаксиальный GaAs пригоден для изготовления датчиков на рабочие температуры вплоть до 770 К [4]. Приборы на основе GaAs успешно работают при высоких уровнях радиации, т.е. обладают бóльшей устойчивостью к дозовым эффектам, чем кремниевые аналоги. Установлено, что интегральные схемы на GaAs выдерживают в среднем импульсы излучения до 1010 рад/с. [5]. Высокая подвижность носителей важна во всех СВЧ-приборах, а также магнитных датчиках. Так же арсенид галлия характеризуется широкоим диапозоном значений удельных сопротивлений в сравнении с классическими полупроводниками как германий и кремний (рис2.1). [1]

Рис.2.1 Диапазоны значений удельных сопротивлений различных полупроводников.

Вследствие непрямого перехода зоны германиевые датчики требуют больших рабочих напряжений.

КПД арсенид галлиевых датчиков выше, а шумы значительно меньше кремниевых.

Возможность точной компенсации за счет неточного избыточного легирования позволила освоить промышленный выпуск высокоомных, так называемых "полуизолирующих", монокристаллов GaAs с удельным сопротивлением 107... ...108 Ом·см. Если при этом обеспечивается предельно

высокая чистота проведения операций, подвижность носителей может остаться на уровне 5000...7000 см2/ (В·с). Поэтому полуизолирующий GaAs может служить исходным материалом для изготовления транзисторов, причем создавать рn-переходы удается за счет введения мелких акцепторных и донорных примесей методом ионной имплантации. Так получают транзисторы и диоды ИС на GaAs, причем их взаимная изоляция обеспечивается самым простым и надежным способом - за счет высокого удельного сопротивления самого кристалла. Возможность такой изоляции на кремнии отсутствует из-за сравнительно высокой собственной концентрации, что вынуждает применять дополнительные конструктивно-технологические решения, иногда довольно сложные.

Помимо этих ограничений, преодолеваемых по мере совершенствования технологии, соединениям AlllBV присущ ряд недостатков, также сдерживающих их широкое внедрение [1]:

1. Низкая растворимость легирующих примесей, которые уже при концентрации свыше 1·1018 см-3 начинают выпадать из твердого раствора и, образуя новые фазы, становятся электрически неактивными. Столь малая предельная концентрация носителей не обеспечивает достаточного уровня инжекции из эмиттерной области транзистора. (Этот недостаток можно преодолеть, изготовляя эмиттер из более широкозонного материала, т.е. на гетеропереходе, но за счет усложнения технологии) Биполярные транзисторы на соединениях AIIIBV неэффективны также из-за низкой подвижности дырок, что сводит на нет преимущество в быстродействии.

2. Отсутствие собственных оксидов, обладающих достаточной стабильностью и пригодных для получения чистой, свободной от

электрически активных состояний границы диэлектрик-полупроводник. Это исключает возможность изготовления из соединений AIIIBV и МОП-транзисторов. И все же достоинства этого класса приборов - низкая потребляемая мощность, минимальный объем, столь четко выявившиеся в конкуренции МОП и биполярных кремниевых ИС - стимулируют продолжающийся поиск методов изготовления МДП транзисторов на соединениях AIIIBV.

3. Токсичность реагентов, используемых для выращивания монокристаллов и эпитаксии (AsCl3, AsH3, PH3), металлоорганиче-ских соединений в сочетании с взрывоопасностью водорода, который служит реакционной средой. Это создает напряженную обстановку на производстве, требует повышенных мер безопасности, серьезно усложняет аппаратуру и технологию.

4. Образование в процессах обработки арсенидов и фосфидов вредных для окружающей среды отходов, необходимость их тщательного улавливания и обезвреживания. И хотя сами по себе эти соединения нетоксичны, к их обработке надо относиться с большой осторожностью. Так, при шлифовке фосфидов нередко образуется чрезвычайно ядовитый газ-фосфин, а при растворении арсенидов в присутствии восстановителей - арсин.

В связи с миниатюризацией РЭА необходима разработка устройств с минимальным объемом и массой. Для получения сильных магнитов малого размера необходимы магнитотвердые материалы с наибольшей коэрцитивной силой и удельной магнитной энергией.

Такие материалы разработаны на основе интерметаллических соединений кобальта с редкоземельными металлами (РЗМ) церием Се, самарием Sm, празеодимом Рr, лантаном La, иттрием Y типа RxCoyMz, где R - РЗМ, х, у, г - массовые доли компонентов в атомных единицах. Наиболее характерны соединения типа RCo5, RCo7 и R2Co17. Общим для таких соединений является наличие атомов металлов с большой разностью порядковых номеров (например, 62-Sm, 27-Со), большое различие в электронных структурах атомов, а также большая разность атомных радиусов компонентов (в соединениях РЗМ с кобальтом 0,18-0,125=0,055 нм, или 30%). Эти соединения характеризуются наибольшими значениями констант магнитной кристаллической анизотропии, большой магнитострикцией и значительной самопроизвольной намагниченностью, что обусловило успешную разработку на основе этих соединений магнитотвердых материалов с наибольшими значениями Нс и (ВН) т.

В табл.2.2 приведены магнитные параметры некоторых постоянных магнитов, достигнутые в лабораторных условиях, и для сопоставления указаны средние значения параметров сплава SmCo5, полученного в условиях промышленного производства [6]

Кроме того, эти сплавы характеризуются высокой хрупкостью. Так, прочность при сжатии этих магнитов примерно в 10 раз меньше, чем магнитов, полученных методом спекания.

Таблица 2.2

Сплав	Wm, кДж/м3	Hc, кА/м	Br, Тл
(SmPr) Co5	104	1320	1,03
Sm (Co, Cu, Fe) 7	104	496	1,04
Sm2 (Co, Cu, Fe) 17	120	560	1,1
SmCo5	75	800	0,92

Как уже указывалось, материалы, полученные на основе редкоземельных металлов, хрупки, поэтому представляет интерес использование таких материалов со связующим из полимеров. Количество полимера составляет 3...10% (по массе). Применялись полиэтиленхлорид, этиленвинилацетат, эпоксидные смолы. Недостатки таких магнитов - относительно низкая рабочая температура (при применении термопластичных полимеров 333... ...358К) и недостаточная температурная стабильность свойств. Получены магниты на основе редкоземельных металлов с кобальтом со связующим из пластичных металлов, например из припоя состава 60% Sn и 40% РЬ. Эти магниты имеют более высокую рабочую температуру, температурную стабильность, а также механическую прочность, чем магниты с полимерным связующим. [1]

Выбор материала для изготовления концентраторов.

Частотный диапазон применения различных групп магнитных материалов в значительной степени определяется их удельным электрическим сопротивлением. При низком удельном сопротивлении велики потери на вихревые токи, а значит и потери на перемагничивание, возрастающие с увеличением частоты, поэтому чем больше удельное сопротивление магнитного материала, тем на более высоких частотах он может использоваться. В постоянных и низкочастотных (до единиц килогерц) полях применяют металлические магнитные материалы: технически чистое железо (низкоуглеродистые электротехнические стали), железокобальтовые сплавы" электротехнические (кремнистые) стали, железоникелевые и железоникелькобальтовые сплавы, называемые пермаллоями, альсиферы, аморфные сплавы.

Магнитные материалы с наибольшей намагниченностью насыщения применяются главным образом для изготовления магнитопроводов, в которых необходимо получить наибольшую плотность магнитного потока. Магнитная проницаемость таких материалов должна быть возможно большей.

Наибольшую намагниченность насыщения (Bs = 2,43 Тл), превышающую намагниченность насыщения железа на 13%, имеют железокобальтовые сплавы, а наиболее распространенный материал с большой намагниченностью насыщения - технически чистое железо.

В случаях, когда предъявляются наиболее высокие требования к габаритам устройства, его массе и значению магнитного потока, применяют железокобальтовые сплавы, что позволяет получить экономию в массе и объеме по сравнению с железомна 15-20%. Максимальное значение магнитной индукции достигается при содержании кобальта около 50%. Практически используют сплавы с содержанием 30...51% Со и 1,5...2% V. Эти сплавы называют пермендюрами.

Недостаток пермендюра - малое электрическое сопротивление, широкому применению препятствуют высокая стоимость и дефицитность кобальта и ванадия. Преимущество железокобальтовых сплавов перед технически чистым железом наиболее выражено при индукциях свыше 1 Тл. Наибольшая разница в величинах магнитной проницаемости имеет место при индукции 1,8 Тл, в области которой ц кобальтовых сплавов в десятки раз больше μ мягких сортов железа.

В зависимости от области применения электролитические стали делят на 3 группы (табл.2.4)

Таблица 2.3

Группа стали	Область применения	Толщина листа, мм	Удельные потери,Bт/кг при Bs=1,5 Тл
1	В средних (3...1000 А/м) и сильных полях при частоте 50 Гц	0,28...1	0,89…13,4 (при f=50 Гц)
2	В средних (3...1000 А/м) полях при частоте 400 Гц	0,05…0,15 0,	15...23 (при f=400 Гц)
3	В слабых (0,2...0,6 А/м) полях или в средних (3...1000 A/м) полях	0,2…0,35	Не нормируется

Кроме того, кремнии в элекролитических сталях снижает индукцию насыщения, что также нежелательно. Так, при изменении содержания кремния от 1 до 4,6% Bs уменьшается от 2,1 до 1,8 Тл.

Пермаллои - это железоникелевые сплавы, имеющие наибольшую магнитную проницаемость в слабых полях. У пермаллоев, подвергнутых термической обработке, магнитная проницаемость в десятки раз больше, чем у электротехнической стали. В соответствии с этим пермаллои применяются в радиоэлектронике в тех случаях, когда нужно иметь значительные как постоянные, так и переменные магнитные потоки при малых напряженностях намагничивающего или перемагничивающего поля, что особенно важно в связи с миниатюризацией радиоэлектронной аппаратуры.

Виды пермаллоев приведены в таблице 2.5

Таблица 2.5

Вид пермалоев	μн	μm	Нс, А/м, не более	Вs, Тл	ρ, мкОм·м,
Вид пермалоев	не менее		Нс, А/м, не более	не менее
Низконикевые	1·103…3,2·103	8<103...30<101	24...8	1...1.5	0,45...0,90
Высоконикевые	7·103...70·103	30<103...250·103	8...1	0,75...0,5	0,55...0,8
Суперпермалой 79%Ni, 15% Fe, 5%Mot 0,5VeMn	100·103	60>104...150·104	0,3	0,79	0,6

Наряду с основными преимуществами пермаллоев - высоким значением μ" и малым значением Нс - пермаллоям присущ ряд недостатков:

большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям (особенно у высоконикелевых пермаллоев), что требует специальных мер защиты:

возможность получения высоких магнитных свойств лишь в результате отжига готовых изделий в вакууме или в водороде после их механической обработки;

пониженные значения индукции насыщения (в 1,5-2 раза ниже, чем у электротехнической стали);

сравнительно высокая стоимость и дефицитность отдельных компонентов (прежде всего, никеля).

Электромагнитные свойства аморфных сплавов и пермаллоев близки, но первые меньше подвержены влиянию механических напряжений, обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью и твердостью при сохранении пластичности.

Вследствие отсутствия кристаллической решетки аморфные сплавы имеют малую магнитную анизотропию, что способствует получению магнитомягких материалов с очень малой коэрцитивной силой Нс и большой магнитной проницаемостью μ. При этом удельное электрическое сопротивление аморфных сплавов примерно в 2-3 раза больше, чем у пермаллоев, а следовательно, значительно меньше потери на вихревые токи.

Многие аморфные сплавы характеризуются высокой прямоугольностью петли гистерезиса.

В табл.2.6 приведены параметры аморфных сплавов трех составов. [1]

Таблица 2.6

Состав,%	Вs, Тл	Нс, А/м,	ρ, мкОм·м,
80 Fe,20 В	1,6	3,2	1,4
80 Fe, 16 Р, 3 С, 1 В	1,49	4	1,5
72 Со, 3 Fe.16 Р, 6 В, 3 А1	0,63	1,2	1,4

Анализирую выше приведенные виды магнитомягких материалов и их характеристик для изготовления концентраторов будем использовать низконикелевые пермаллои (Bs =1÷1.5 Тл), что обеспечит не перенасыщение концентраторов под действием постоянного магнита.

Для фиксирования магнита и концентраторов на штоке будем использовать клей ВК-9 ОСТ 180215-84 основываясь на том, что у него высокая клеящая способность, обладает прозрачностью и рабочая температура его до 373К. [3]

В качестве легирующей примеси используем бор, его целесообразно использовать тогда, когда требуется, чтобы примесь была неподвижна на последующих высокотемпературных операциях или для изготовления слоев с резким профилем легирования.

Для формирования контактной области n+-типа в качестве донорной примеси используем фосфор обладающий повышенным коэффициентом диффузии и повышенной растворимостью.

Основными материалами при получении соединений для полупроводниковых ИМС является золото и алюминий. В некоторых случаях находят применения никель, хром, серебро. В качестве материала для разводки и контактных площадок будем применять алюминий А99, который обладает хорошей адгезией к арсениду галлия, хорошей электропроводностью, легко наносится на поверхность ИМС в виде тонкой плёнке, дешевле. В качестве внешних выводов будем применять золотую проволоку ГОСТ 7222-75, поскольку алюминий характеризуется пониженной механической прочностью. [3] Для хорошей механической прочности и лучшей адгезии с припоем ПОС61 на поверхность алюминия будем наносить хром электролитический ЭРХ и сплав олово висмут.

Для герметизации кристалла в корпусе будем использовать эпоксидный герметик марки УП-5-105-2 применяемый в радиотехнической аппаратуре. Данный герметик сохраняет работоспособность в условиях тропической влажности, при вибрационных и ударных нагрузках, длительно работают при температуре от минус 60 до 140°С. Предел прочности 6-55 МПа.

Для материала корпуса измерительной системы выбирает полиамид ПА66 литьевой ОТС 6-06-369-74, так как материал при высоких температурах не теряет своих механических свойств.

Для соединения датчика с системами обработки сигналов будем использовать герметичный разъем на два контакта CS1206-ND.

3. Конструкторские расчеты

3.1 Расчет магнитной системы датчика

При расчете магнитов с арматурой приемлемую точность дает метод отношений. В этом методе магнитная цепь условно приводится к двухузловой эквивалентной электрической схеме с сосредоточенными параметрами. Распределение магнитного напряжения вдоль магнита принимается линейным, а магнитное сопротивление арматуры (если ее состояние далеко от насыщения) считается равным нулю. При этом характеристика магнита определяется не участком на кривой размагничивания, а точкой.

Исходными данными расчета дипольной МС (рис.3.1) являются:

характеристики материала магнита: коэрцитивная сила по индукции HcB, остаточная индукция Br, координаты точки с максимальной удельной энергией Hd и Bd, коэффициент возврата Kv (табл.3.1)

Таблица 3.1

Характеристики материала магнитов

параметр

материал

HcB, А/м

Br, Тл

Hd, А/м

Bd, Тл

Kv, Гн

SmCo5

5,4·105

0,77

2,86·105

0,385

1,35·10-6

Страницы: 1, 2