СОДЕРЖАНИЕ
1. Вводный раздел
1.1 Введение
1.2 Анализ технического задания
1.3 Анализ понятия "влажность" и выбор метода для её измерения
1.4 Масс-чувствительные пьезорезонансные датчики
2. Схемотехнический раздел
2.1 Разработка структурной схемы
2.2 Разработка функциональной схемы
2.3 Разработка принципиальной электрической схемы
3. Исследовательско-экспериментальный раздел
4. Технологический раздел
4.1 Анализ
4.2 Обоснование выбора материалов
4.3 Формирование тонких плёнок методом термовакуумного напыления
4.4 Методы формирования тонкоплёночных структур
4.5 Разработка технологического процесса изготовления ГИС
4.6 Испытания
5. Расчётно-конструкторский раздел
5.1 Методика расчёта конструкции тонкоплёночных элементов
5.2 Числовой расчёт плёночных элементов
5.3 Конструктивные меры защиты ГИС от воздействия дестабилизирующих факторов
5.4 Обеспечение надёжности ГИС
6. Организационно - экономический раздел
7. Охрана труда
8. Заключение
Список литературы
Сегодня роль и значение приборов для контроля влажности в различных процессах общеизвестны: практически нет отрасли народного хозяйства, раздела науки и техники, где бы ни требовалось контролировать влажность газовых сред.
Но при всех этих потребностях состояние на рынке приборов для контроля влажности не оставляет уверенности в удовлетворительном положении. Многие датчики и приборы, которые используются потребителями, далеко не удовлетворяют потребностям современного уровня развития техники, другие являются неудобными, громоздкими или дорогостоящими.
На данном этапе во всем мире в целом и в нашей стране, в частности, усиливается тенденция к широкому внедрению автоматизации и компьютеризации в различные сферы человеческой деятельности. Ведущее место в этом занимают современные технологические процессы производства. Здесь и возникает необходимость в автоматизации процессов измерения влажности газовых сред, обработки результатов с использованием ЭВМ или специальных устройств управления технологическими процессами.
Автоматизированный контроль за уровнем влажности может во многом определять качество будущего изделия. Например, существует статистика, что качество технологического процесса и работоспособность интегральных микросхем и микросборок в сильной степени зависит от уровня влажности внутри корпуса, которая попадает туда в результате плохой герметизации или выделяется из составляющих микросхему материалов. Миниатюрный датчик же позволит организовать контроль уровня влажности внутри корпуса микросхемы, что даёт возможность с довольно высокой вероятностью определить остаточное время работы микросхемы, вовремя предупредить её отказ или выявить брак.
Смело, можно сказать, что автоматические малогабаритные датчики и приборы для контроля влажности в газовых средах являются очень важной ступенью в развитии и автоматизации производства, повышают его качество и производительность.
Целью данной работы является создание именно такого автоматического малогабаритного измерителя для контроля уровня влажности технологических сред.
1.2 Анализ технического задания
В ходе выполнения дипломной работы необходимо разработать методику измерения влажности газовых сред, схему, конструкцию и технологию изготовления модуля измерителя на основе ГИС.
Необходимо решить следующие задачи:
1. разобрать понятие "влажность";
2. выбрать метод измерения;
3. выбрать датчик;
4. разработать стабильную схему измерителя;
5. по макету исследовать изменение параметров схемы от влажности газовой среды;
6. по результатам исследования согласовать схему;
7. выбрать материалы для изготовления ГИС;
8. разобрать методы и технологию изготовления ГИС;
9. разобрать методику испытаний измерителя;
10. произвести расчёт элементов ГИС;
11. разработать конструкцию ГИС;
12. разработать меры защиты от воздействия дестабилизирующих факторов;
13. рассчитать надёжность ГИС;
14. построить сетевой график и рассчитать экономические показатели;
15. разработать раздел "Охрана труда".
Измеритель должен работать в диапазоне температур 5...40°С,
в диапазоне влажностей 10...100%.
Погрешность измерения влажности должна быть не более 5 %.
1.3Анализ понятия "влажность" и выбор метода для её измерения
"Влажность воздуха" – качественное понятие, отражающее присутствие в газовой среде газообразной воды. Количественно влажность газов выражают величинами влагосодержания и влагосостояния [1].
Физическая сущность понятия "влажность газов" становится понятной, если обратить внимание, что измерения, связанные с присутствием влаги в газовой среде, фактически делятся на два вида:
Первый – влагосодержание: оценка состава влажного газа как газовой смеси, где определяемым компонентом является вода;
Второй – влагосостояние: оценка термодинамических свойств водяного пара, содержащегося во влажном газе.
Выделение двух названных видов измерений связанно, прежде всего, с тем, что влага в газовой среде может рассматриваться как газ и как пар.
В первом случае, объектом измерения является непосредственно влажный газ – обычная бинарная газовая смесь, состоящая из газообразной воды и сухого газа, а конечная цель измерений при этом заключается в установлении массовой, молярной и объёмной долей и отношений, массовой и молярной концентрации. При этом необходимо разделение анализируемой среды на два основных компонента: влагу и сухой газ.
Во втором случае, объектом измерения является не влажный газ, как в первом случае, а только содержащийся в нём пар. Конечная цель измерений при этом в установлении относительного термодинамического состояния водяного пара - относительной влажности. Он обладает наибольшей эффективностью, так как не нуждается в разрушении анализируемой среды.
Каждый из видов измерения имеет много методов измерения влажности. В данной работе выбран сорбционно-частотный метод измерения величины влагосостояния.
Сорбционно-частотный метод основан на зависимости собственных колебаний пьезокварцевой пластины при установившемся гидродинамическом равновесии между водяным паром влажного газа и насыщенным раствором сорбента, осаждённого на её поверхности, от влагосостояния анализируемой среды. Данный метод позволяет с высокой точностью контролировать уровень влажности, что определяется сильной зависимостью собственной частоты колебаний кварцевой пластины от приращения её массы, которая растёт при адсорбировании паров воды из окружающей среды на поверхности этой пластины. Т.е. в работе в качестве датчика выбран масс-чувствительный пьезорезонансный датчик.
Масс-чувствительные резонаторы выполняются из тонких пластин или линз кварца температурно-независимого АТ-среза. В резонаторах возбуждаются колебания сдвига по толщине. Присоединяемая масса может наноситься с одной или с двух сторон, как на электроды, так и на периферию резонатора. Наращивание массы, т.е. сорбция вещества, может происходить по-разному и носить как необратимый, так и обратимый характер. Например, при отработке технологии процессов напыления в установке заподлицо с поверхностью, на которую производится напыление, помещается пьезорезонатор-толщинометр, позволяющий непрерывно контролировать процесс по изменению частоты пьезорезонатора в зависимости от толщины напылённой на него плёнки. В гигрометрах и газоанализаторах пьезорезонаторы покрываются специальными сорбционными покрытиями, удерживающими исследуемое вещество. Так, измерительный резонатор гигрометра покрывается тонкой (3×10-7 мкм) плёнкой окислов кремния [2]. После измерения резонатор может быть "высушен", т.е. происходит десорбция вещества.
Связь частоты с толщиной h` и плотностью r` присоединяемого материала определяется в первом приближении формулой:
Df/f = - r`h`/(rh), (1.1)
где r и h – плотность и толщина пьезоэлемента.
Если предположить, что исследуемое вещество сорбируется по всей поверхности дискового резонатора, то из этой формулы следует:
Df/f = - Dm/m, (1.2)
где m – масса резонатора.
Очевидно, что относительное приращение массы может регистрироваться с тем же разрешением, что и относительное изменение частоты, т.е. 10-6-10-7. Для кварцевых резонаторов толщиной h = 0,1 мм минимальные регистрируемые приращения массы на единицу поверхности Dm = (10-6¸10-7) rh = (10-6¸10-7) 2,65×0,01 = 2,65 (10-8¸10-9) г/см2 [2]. Однако такая высокая разрешающая способность может быть реализована только при термостабилизации резонаторов на уровне ±0,1 °С, так как для резонаторов АТ-среза ТКЧ составляет примерно 2×10-6 К-1. Максимальная присоединяемая масса не должна превышать 2×10-3 г/см2, и толщина плёнок должна быть не более 1 – 2 мкм, в противном случае резко падает добротность резонатора, что приводит к нестабильности и большой погрешности измерения.
В работе используется температурно-независимый кварцевый резонатор, покрытый тонким слоем оксида кремния (SiO). Он является основной частью датчика, информация которого, впоследствии, должна быть преобразована и проанализирована соответствующими устройствами.
2.1 Разработка структурной схемы
Разрабатываемое устройство предназначено для обработки данных, поступающих с пьезодатчика. Этими данными являются изменения собственной частоты колебаний кварцевой пластины в зависимости от массы воды адсорбируемой на её поверхности, которая, в свою очередь, и определяет уровень влажности в той среде, где находится кварц. По разности собственных частот колебаний можно говорить о влагосостоянии среды. Чтобы учесть это изменение, можно использовать кварцевую пластину в качестве задающего элемента в кварцевом генераторе. Это позволяет привести изменение собственной частоты колебаний пластины к изменению частоты колебаний генератора.