Разработка системы определения перемещения движущегося предмета

Содержание Введение Анализ исходных данных и формирование расширенного ТЗ на проектирование Выбор и обоснование применяемых материалов и конструкций Конструкторские расчёты Разработка топологии кристалла Составление схемы ЭП устройства Разработка технологии изготовления чувствительного элемента Разработка конструкции датчика и ТП сборки измерительной системы Заключение Введение Для создания автоматизированных систем управления в различных областях народного хозяйства широко применяются различные датчики, в том числе датчики положения движущихся предметов (ДПП). ДПП широко применяются в различных областях науки, техники и в производстве: в металлообрабатывающем оборудовании с программным управлением, различного вида транспортёрах, роботах и микророботах, подъёмных механизмах, поточных линиях с автоматизированным управлением, в бытовой технике и аппаратуре.

В данном курсовом проекте будет разрабатываться система определения перемещения движущегося предмета на основании магнитной системы и магнитодиода. ДПП, использующие гальваномагнитные явления, отличаются высокой чувствительностью, надёжностью, малыми габаритными размерами, малой потребляемой мощностью, простотой конструкции. Применение магнитодиодов повышает надёжность, точность, долговечность датчиков на их основе, увеличивает стойкость к воздействиям окружающей среды (в том числе к вибрациям и ударам). При прочих равных условиях у ДПП на магнитодиодах возможно получение выходного сигнала, превышающего сигналы на датчиках Холла и магниторезисторах более чем на порядок.

Магнитные датчики перемещения являются наиболее универсальными магнитоэлектронными устройствами, поскольку они используются и как самостоятельные датчики, и как составные элементы многих других более сложных датчиков.

Промышленное производство магнитных датчиков перемещения осуществляется многими зарубежными фирмами. Среди них наиболее известны фирмы Нопеуwell, Murata, Allegro MicroSystems Inc., Hitachi, Siemens A.G., RS Components, которые выпускают магнитные датчики перемещения с использованием всех известных типов преобразователей магнитного ноля. Информации о «постсоветских» производителях датчиков перемещения найдено не было. Более того, найти полную информацию об иностранных аналогах данной разработки довольно тяжело, т.к. она является специфической и с технико-экономической точки зрения на всеобщее обозрение не выставляется. Т.о. превалирующим элементом данного курсового проекта станет творческий подход и конструкторская смекалка.

1. Анализ исходных данных и формирование расширенного ТЗ на проектирование В данном курсовом проекте разрабатывается система определения перемещения движущегося предмета на основании магнитной системы и магнитодиода. По диапазону измеряемых перемещений — 0,001−1 мм — можно предположить, что разрабатываемый датчик будет использоваться на объектах, где важна высокая точность сопряжения деталей. Это, например, два элемента несущей конструкции здания, соединённых встык. При воздействии внешних сил (например, ветра) может образовываться зазор до 1 мм, не допустимый по расчётам инженеров. Разрабатываемый датчик позволит контролировать величину зазора и, при необходимости, поможет предотвратить необратимые нарушения в конструкции здания.

Диапазон рабочих температур приемлем для работы полупроводниковых элементов датчика и не противоречит его эксплуатационному назначению.

В качестве материалов для тела магнитодиода и магнитной системы будут использоваться «привычные» материалы — кремний и феррит бария соответственно — широко распространённые в производстве гальваномагнитных преобразователей.

В результате эмпирического анализа будущего измерительного блока делается вывод о необходимости увеличения его габаритных размеров.

Сформируем расширенное техническое задание на проектирование:

Наименование изделия: «Датчик регистрации перемещений движущихся предметов».

Назначение устройства: применяется для регистрации перемещений от 0,001 до 1 мм; устанавливается на сопрягающихся деталях для контроля их взаимного положения.

Проектируемая система будет состоять из магнитодиода, дипольной магнитной системы и корпуса.

Прибор относится к группе стационарных РЭУ. Габаритные размеры: не более 121 440 мм. Масса не более 0,08 кг.

Температура внешней среды может изменяться от -200С до +500С. Относительная влажность 60−90% при +250С.

Датчик соединяется с электронной системой контроля через трёхпиновый шлейф. Подаётся двухполярное питание напряжением 10 В.

Среднее время наработки на отказ — не менее 30 тыс. час.

Материал будущей подложки — ситалл толщиной 1,5 мм. Материал корпуса — полистирол.

Подложка будет вставляться в пазы с двух сторон на корпусе.

Гарантийный срок эксплуатации — 1 год.

Ориентировочная программа выпуска — 1000 в год.

2. Выбор и обоснование применяемых материалов и конструкций При проектировании магнитных систем необходим анализ используемых материалов. Разнообразие материалов выдвигает задачу научно-технического обоснования состава магнитных параметров, обеспечивающих не только контроль качества готовой продукции, но и управление уровнем качества в технологическом процессе производства.

Для уменьшения потребляемой энергии и снижения габаритов датчика регистрации перемещений целесообразно применять постоянные магниты. При выборе материала для изготовления постоянного магнита необходимо учитывать многие факторы. Важнейшими из них является энергоемкость материала, наличие его в составе дефицитных компонентов, стоимость, температурная и временная стабильность. Кроме того, на выбор материала существенное влияние оказывают условия эксплуатации магнита и предполагаемый объём производства изделий. Энергоёмкость материала является основным критерием выбора, так как чем выше значение магнитной энергии, приходящейся на единицу объёма вещества, тем меньше объём магнита и рассеяние его потока.

В данном случае материалом постоянного магнита является феррит бария. Это магнитотвёрдый материал, который обладает очень высокой коэрцитивной силой и удельной энергией. Энергия в рабочем зазоре такого магнита достигает максимума, если длина магнита лишь незначительно превышает длину рабочего зазора. Магнит из феррита бария имеет большую гигантскую внутреннюю коэрцитивную силу, превосходные прочностные характеристики. Тем не менее, феррит бария не является наилучшим вариантом при выборе материала постоянного магнита. В качестве подтверждения рассмотрим и сравним параметры феррита бария со сплавом самарий-кобальт:

Таблица 1 — Сравнительная характеристика материалов магнитов.

Материал для концентраторов выбирается исходя из необходимости создания максимальной индукции в рабочем зазоре. Такому условию отвечают тонколистовые нелегированные электротехнические стали по ГОСТ 3836–73 типов 10 895−20 832. Эти материалы дают приемлемые результаты качества магнитной системы при минимальных затратах в производстве и являются наиболее пластичными по сравнению с электротехническими сталями, легированными кремнием по ГОСТ 21 427–83. Выбираем сталь 10 895.

В качестве материала тела магнитодиода используются материалы с низкой концентрацией собственных носителей заряда, т. е. с большой шириной запрещённой зоны, с высокой подвижностью носителей заряда. В нашем случае будет использоваться кремний. Его использование позволяет получать достаточно высокие уровни инжекции при больших значениях d/L. Недостатком кремния являются относительно низкие значения подвижности зарядов, что уменьшает магниточувствительность магнитодиодов на его основе. Сравним физические свойства некоторых полупроводниковых материалов:

Таблица 2 — Физические свойства некоторых полупроводниковых материалов

Таким образом, кремний не обладает идеальными параметрами для магнитоэлектроники, но является наиболее применяемым материалом.

В качестве материала для подложки будем использовать ситалл. Он хорошо обрабатывается, выдерживает резкие перепады температуры, обладает высоким электрическим сопротивлением, газонепроницаем, механически прочен. Подложка будет основанием для расположения плёночных и навесных элементов.

В качестве резистивных материалов будем использовать металлосилицидные сплавы системы Cr-Si, легированных небольшими добавками никеля. Они обладают сравнительно небольшим ТКС, имеют высокую стабильность воспроизведения удельных поверхностных сопротивлений, а диапазон номиналов достаточно широк. Для создания гибридной микросхемы необходимы резистивные плёнки с удельным поверхностным сопротивлением от десятков до десятков тысяч Ом на квадрат. Чем меньше толщина плёнок, тем выше удельное поверхностное сопротивление, но одновременно повышается ТКС, ухудшается временная и температурная стабильность плёнок. Выбираем сплав РС-3710 (37,9% Cr, 9,4% Ni, 52,7% Si).

Проводники и контактные площадки в гибридных микросхемах, как правило, выполняют многослойными (основной слой с адгезионным слоем). Они должны иметь малое удельное сопротивление, хорошую адгезию к подложке, высокую коррозионную стойкость. Выбираем слой золота с подслоем хрома. Подслой хрома обеспечивает высокую адгезию, а золото — нужную проводимость, высокую коррозионную стойкость, возможность пайки и сварки.

Корпус датчика изготавливается из полистирола ударопрочного ГОСТ 20 282–86, позволяющего обеспечить защиту элементов магнитной системы от чужеродных частиц и воздействия окружающей среды. Кроме того, данный материал не искажает магнитное поле постоянного магнита, что обеспечивает стабильность и точность показаний датчика.

3. Конструкторские расчеты

3.1 Расчет параметров магнитной системы При проведении расчёта магнита с арматурой используется метод отношений, дающий приемлемую точность. Расчёт проводится в программе Mathcad.

Выбирая параметры магнита и концентраторов, рассчитываются значения проводимостей в направлениях 1−13, общее значение проводимости арматуры, значение магнитной индукции в зазоре. Полученные значения проводимостей анализируются, и выбирается оптимальный вариант.

Таблица 3 — Варианты геометрии магнитной системы.

Таблица 4 — Значения проводимостей и магнитной индукции в зазоре для различных вариантов геометрии магнитной системы.

Проанализировав полученные результаты, выбирается третий вариант с наибольшими магнитными проводимостями и более высокой магнитной индукцией в зазоре. Выполнив расчёт, строится график зависимости магнитной индукции в точке Х, где Х — смещение измерителя магнитной индукции относительно положения с максимальной магнитной индукцией. Используем следующую формулу:

(1)

Здесь k — коэффициент, зависящий от ширины измерителя магнитной индукции. k=1. Т.к. диапазон измеряемых перемещений 0,001 — 1 мм, то получаем:

3.2 Расчет параметров магнитодиода Расчёт будем вести по методике, описанной на с. 208−213. Для расчёта магнитодиода будут использоваться следующие исходные данные:

материал тела магнитодиода — кремний;

время жизни неосновных носителей заряда ф=6?10−4 с;

рабочее напряжение Uр=4 В;

ток питания магнитодиода I=0,15?10−3 А;

индукция магнитного поля В=0,137 Тл;

напряжение Холла Uх=1,25 В;

напряжённость электрического поля Е=1,37?106 В/м;

удельное сопротивление материала =15 кОм? см;

подвижность дырок =4,8?10−2 м2/В?с;

температурный потенциал =0,025 В;

заряд электрона q=1,6?10−19 Кл;

подвижность электронов =1,35?10−1 м2/В?с;

ускоряющее напряжение ионного легирования Еу=100 кэВ;

доза легирования бором Фб=1012 см-2;

доза легирования фосфором Фф=1012 см-2;

средняя проекция пробега иона бора Rpб=3,07?10−5 см;

средняя проекция пробега иона фосфора Rpф=1,35?10−5 см;

среднее квадратичное отклонение проекции пробега иона бора ДRрб=6,9?10−6 см;

среднее квадратичное отклонение проекции пробега иона фосфора ДRрф=5,3?10−6 см.

Концентрация носителей заряда в базе магнитодиода:

(2)

м-3.

Толщина кремниевой пластины:

(3)

м.

Ширина пластины магнитодиода:

(4)

м.

Рассеиваемая мощность:

(5)

Вт.

Площадь поперечного сечения магнитодиода:

(6)

м2 или см2.

Удельная рассеиваемая мощность:

(7)

Вт/см2.

Оптимальное значение отношения длины базы к длине диффузионного смещения d/L:

(8)

Длина диффузионного смещения:

(9)

м.

Длина базы магнитодиода:

(10)

м.

Длина магнитодиода с учётом ширины контактных площадок:

м.

Получаем следующие основные геометрические размеры магнитодиода:

h (толщина)=0,118 мм.

а (ширина)=0,139 мм.

d (длина базы)=8,09 мм.

Lp (длина магнитодиода)=9,7 мм.

Максимальная концентрация примесей в полупроводнике:

(11)

см-3.

см-3.

Исходная концентрация примесей в подложке:

(12)

см-3.

Глубина залегания p-n перехода:

(13)

м.

м.

Магнитная чувствительность магнитодиода:

(14)

В/Тл.

В прикладной программе Mathcad строим ВАХ полученного магнитодиода:

Приведём график зависимости выходного напряжения на магнитодиоде от магнитной индукции внешнего поля при заданном рабочем токе 0,15 мА. Используем следующую формулу:

(15)

4. Разработка топологии кристалла Для разработки топологии кристалла необходимо учитывать следующее:

должна быть выбрана оптимальная конфигурация размещения областей;

каждая область должна занимать как можно меньшую площадь;

если в результате разработки топологии остались свободные участки площади (объёмы), они могут быть использованы для увеличения наиболее критичных размеров областей.

Исходя из вышеприведённых положений, разрабатывается топология кристалла, т. е. наиболее оптимальное размещение в его объёме областей магнитодиода.

1 — область p+ проводимости, легированная бором;

2 — область n+ проводимости, легированная фосфором;

3 и 4 — окисел SiO2;

5 — металлизация (наносится сплав Al-Si);

6 — плёнка хрома;

7 — плёнка меди;

8 — плёнка олово-висмут;

9 — припой ПОС 61.

5. Составление схемы электрической принципиальной При составлении схемы электрической принципиальной необходимо учитывать, что через магнитодиод должен протекать ток 0,15 мА, а рабочее напряжение равно 4 В. Приведём следующую принципиальную схему датчика для регистрации перемещений:

Магнитное поле изменяет сопротивление магнитодиода и, следовательно, входной ток транзистора, что приводит к изменению падения напряжения на резисторе R2, с которого снимается выходное напряжение. При минимальном значении магнитной индукции 0,07 Тл, когда магнитодиод находится на расстоянии 1 мм от точки с максимальной магнитной индукцией 0.137 Тл, транзистор будет закрыт. При уменьшении этого расстояния магнитное поле увеличивается и транзистор открывается.

6. Разработка технологии изготовления чувствительного элемента В данном датчике перемещения чувствительным элементом является магнитодиод. Но магнитодиод сам по себе «не дееспособен». Для его нормальной работы была составлена схема электрическая принципиальная усилителя, а по ней была разработана гибридная интегральная плата. Т.о., далее под чувствительным элементом будем понимать гибридную интегральную плату.

Технологический цикл её изготовления можно разделить на два независимых этапа, что обеспечивает простоту изготовления, малую трудоёмкость и стоимость. Первый этап включает в себя процессы формирования на подложке пассивных плёночных элементов и проводников соединений. Второй этап — контрольно-сборочный, начинается с контроля пассивных элементов на подложках. Достаточно большие размеры элементов позволяют осуществлять подгонку их параметров, например, с помощью лазера.

Далее производят разрезание подложек. При изготовлении гибридной интегральной микросхемы платы устанавливают в корпуса, производят монтаж дискретных компонентов, соединение контактных площадок подложек с выводами корпуса, герметизацию корпуса, контроль и испытания.

Для получения рисунка резисторов и проводников с высокой точностью воспроизведения размеров (до единиц микрометров) применяется фотолитография. На подложку последовательно наносят сплошные резистивные и проводящие плёнки. С помощью первой фотолитографии и последующего травления проводящего слоя получают проводники соединений и контакты с резистивным слоем. С помощью второй фотолитографии травят резистивную плёнку и формируют рисунок резисторов. Таким образом, под проводящим рисунком остается резистивный подслой. Он обеспечивает прочность сцепления проводников и контактов с подложкой.

Т.к. рисунок резисторов и проводников достаточно прост, проводящий и резистивный слой будет наноситься через трафареты поочерёдно. Затем проводится монтаж активных элементов (они приклеиваются на плату), выводы элементов развариваются на соответствующие контактные площадки термокомпрессионной сваркой. Далее готовая плата покрывается защитным слоем фоторезиста. Шлейф распаивается с помощью припоя ПОС61.

Приведём описание техпроцесса изготовления магнитодиода:

Пластины кремния толщиной 0,4 0,1 мм с ориентацией шлифуют, полируют до 14-го класса шероховатости и стравливают нарушенный поверхностный слой;

Проводят пиролитическое осаждение окисла кремния толщиной 0,4 0,1 мкм пиролизом и окислением моносилана: SiH4+2O2=SiO2+2H2O. Окись кремния будет служить маской для получения технологических меток;

Нанесение фоторезиста, экспонирование и проявление;

Проводят травление окисла кремния в селективном травителе и удаление фоторезиста;

Проводится фотолитография для получения маски из фоторезиста под ионное легирование бором. Поверхностное сопротивление легированной области должно быть S= 800 Ом/. Таким образом, получается область p±типа проводимости;

Удаление маски фоторезиста проводят плазмохимическим травлением в атмосфере кислорода. После обязательной межоперационной очистки пластин проводится третья фотолитография для формирования маски из фоторезиста под легирование фосфором. Поверхностное сопротивление легированной области должно быть S=130 Ом/. Таким

образом, получается область n±типа проводимости;

Удаление фоторезиста и химическая обработка пластин;

Повторное осаждение пиролитического окисла толщиной 0,40,1 мкм для формирования маски для получения контактов к легированным областям;

С помощью четвертой фотолитографии вскрываются окна под контакты к областям p± и n±типа;

На всю поверхность кремниевой пластины наносится пленка сплава алюминий-кремний толщиной 0,8−1,5 мкм при температуре подложки 200 C;

Пятая операция фотолитографии по сплаву алюминий-кремний для формирования контактных площадок. В окнах, вскрытых в защитном окисле, сплав образует электрический контакт с кремнием после кратковременного отжига (10 мин) при температуре (5501) C в атмосфере азота;

Контроль функционирования магнитодиодов с помощью измерителя характеристик полупроводниковых приборов типа Л2−56;

Проводится низкотемпературное осаждение окиси кремния (SiO2) толщиной 0,37−0,52 мкм для защитного покрытия магнитодиода (пассивация) при температуре 420−450 C;

Проводится шестая фотолитография по пленке защитного диэлектрика для вскрытия окон к контактным площадкам. При изготовлении магнитодиодов применяются многослойные контактные площадки. В качестве контактного и адгезионного слоев используется пленка хрома с удельным сопротивлением S= 180−220 Ом/, а в качестве проводящего слоя — пленка меди толщиной (1−1,5) мкм;

Напыление пленок хрома и меди;

Проводится седьмая фотолитография для нанесения гальванического покрытия сплава олово-висмут толщиной 8−12 мкм на контактные площадки для защиты пленки от окисления и для улучшения присоединения внешних выводов к контактным площадкам;

Гальваническое наращивание слоёв олово-висмут;

Монтаж кристалла на плату.

Далее приведём описание техпроцесса изготовления платы:

Очистка подложки. Целью очистки является удаление загрязнений, таких как пыль, жировые пятна. Для обеспечения хорошей адгезии при напылении слоёв подложку кипятят в специальном растворе (перекись водорода, аммиак, вода в соотношении 40:1:125) и промывают деионизированной водой;

Сушка подложки. Производится в среде инертного газа на центрифуге;

Напыление через трафарет термовакуумным методом резистивного материаласплава РС-3710. Сплав напыляют до получения s =5000 Ом/. Для контроля используют «контрольную полоску сопротивления»;

Напыление через трафарет термовакуумным методом подслоя хрома толщиной 0,01 мкм.;

Напыление через трафарет термовакуумным методом проводящего слоя для проводников и контактных площадок — золото марки Зл 999,9 — толщиной 0,5 мкм;

Контроль геометрии резисторов;

Контроль параметров резисторов;

Проводим монтаж навесных компонентов: магнитодиод и транзистор приклеиваются на плату с помощью клея Д9;

Развариваем выводы приклеенных элементов на контактные площадки термокомпрессионной сваркой;

Покрытие подложки защитным слоем фоторезиста ФН-11-СК, толщиной 1,8 мкм;

Регулировка и контроль готовой платы;

Распаиваем шлейф на соответствующие контактные площадки.

7 Разработка конструкции датчика и ТП сборки измерительной системы Разработанная конструкция датчика схематически представлена на рис. 8:

Корпус представляет собой параллелограмм, его размеры — 12×14×40 мм.

Корпус прибора изготовлен методом прямого прессования из полистирола ударопрочного ГОСТ 20 282–86. Электрическая связь чувствительного элемента с устройством контроля осуществляется с помощью шлейфа, для которого на задней стенке предусмотрена щель. Расположение платы — горизонтальное. Она находиться в пазах с двух сторон на корпусе.

Опорная поверхность — четыре ножки для крепления на плоскую поверхность.

Рассмотрим технологический процесс сборки измерительной системы:

Изготовленный магнитодиод, как и транзистор, монтируется на плату.

Выводы элементов развариваются термокомпрессионной сваркой на соответствующие контактные площадки.

Плата покрывается защитным слоем фоторезиста и после сушки вставляется в пазы корпуса;

Шлейф распаивается на контактные площадки припоем ПОС 61.

Магнитная система вставляется в корпус таким образом, чтобы между концентраторами находилась плата с магнитодиодом.

Далее в корпус вставляется подвижная часть датчика — штуцер.

Магнитная система и подвижная часть склеиваются торцами.

Верхняя крышка корпуса приклеивается к основной части измерительного блока.

Таким образом, датчик получается неремонтопригодным. Отказы будут происходить как правило по электрической части, а не по механической, поэтому ремонт будет нецелесообразен. Это, в свою очередь, оправдывает данное исполнение.

Заключение

В результате выполненной работы на основе исходных данных спроектирована система определения перемещения движущегося предмета. Произведены анализ исходных данных, расчёт магнитодиода и магнитной системы, выбраны и обоснованы материалы. Составлена схема электрическая принципиальная и по ней разработана гибридная плата. Разработана конструкция датчика и составлен техпроцесс сборки измерительного блока.

Датчик имеет чувствительность 46,6 В/Тл. Напряжение питания ±10 В. Габаритные размеры — 12×14×40 мм. Диапазон измеряемых перемещений — 0,001−1 мм. перемещение магнитный материал элемент В результате проектирования было получено оптимальное проектное решение, удовлетворяющее заданным требованиям и необходимое для создания объекта описания.