Моделирование оптомеханического узла фотоэлектрического сенсора давлений

поверхность. Поэтому они проявляют активность по отношению к основным газам. Таким образом, CdSer и твердые растворы на их основе могут быть использованы в качестве сенсоров экологического назначения.

Библиографический список

1. Сенокосов Э. А. [и др.]. Катодолюминесценция фоточувствительных слоев CdSe, выращенных в квазизамкнутом объеме // Неорганические материалы. 2012. Т. 48, № 12. С. 1299-1302.

2. Степанов Е. М. Исследование фотолюминесценции коллоидных квантовых точек на основе халькогенидов металлов // Молодой ученый. 2015. № 9. С. 56-60.

3. Бахметьев В. В., Огурцов К. А., Сычев М. М. [и др.]. Влияние ударно-волновой обработки на свойства ZnS и люминофоров на его основе // Неорганические материалы. 2012. Т. 48, № 9. С. 1002-1006.

4. Крылов П. Н., Гильмутдинов Ф. 3., Романов Э. А., Федотова И. В. Влияние термоотжига на оптические свойства нанокристаллических пленок сульфида цинка // Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 45, № 11. С. 1571-1575.

5. Софронов Д. С., Камнева Н. Н., Катрунов К. А. [и др.]. Влияние условий осаждения на размер и оптические свойства

частиц ZnS // Неорганические материалы. 2014. Т. 50, № 7. С. 703-707.

6. Кировская И. А., Миронова Е. В., Леонтьева Н. Н., Леонов В. Е., Блесман А. И., Полонянкин Д. А., Юрьева А. В. Получение и физико-химические исследования новых адсорбентов на основе системы CdSe-ZnS // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2015. № 1 (137). С. 236-240.

7. Кировская И. А., Миронова Е. В., Григан А. А., Леонов В. Е. Новые материалы на основе систем ZnS-CdSe, ZnSCdS // Россия молодая: передовые технологии — в промышленность. 2015. № 2. С. 164-168.

8. Кировская И. А., Миронова Е. В., Косарев Б. А., Григан А.. А., Леонов В. Е. The Activity of New Materials Surfaces — ternary Semi-conductors with Cationic and Anionic Substitution // Procedia engineering. 2015. Vol. 113. P. 446-450.

ЛЕОНОВ Вячеслав Евгеньевич, учебный мастер кафедры технологии машиностроения. Адрес для переписки: slavyanleo@mail.ru

Статья поступила в редакцию 25.11.2016 г. © В. Е. Леонов

УДК 681.5.08 д. с. ЧЕРНОВ

В. Д. ГРИДЧИН Д. Д. БЯЛИК

ООО «СибИС», г. Новосибирск

Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

МОДЕЛИРОВДНИЕ ОПТОМЕХДНИЧЕСКОГО УЗЛД ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЕНСОРД ДДВЛЕНИЙ_

В статье рассмотрены вопросы проектирования оптомеханического узла нового типа сенсора давления, предназначенного для ра боты во взрыво- и пожароопасных средах. Днализ базируется на конечноэлементной модели оптомеханического узла для двухточечной схемы н агружения. В ра мках упрощенной аналитической модели р а осматривается влияние конструктивных п ара метров н а преобразовательную х арактеристику оптомеханического узла.

Ключевые слова: упругий элемент, оптомеханический узел, оптоволокно, фотоэлектрический сенсор давления, численное моделирование.

1. Введение. Сенсоры давления занимают значи- сенсоры на фотоэлектрическом эффекте. В таких

тельную долю мирового рынка изделий микросис- сенсорах действие измеряемого давления приводит

темной техники и область их применения непрерывно к перемещению конца оптоволокна относительно

расширяется. Соответственно, идет постоянное со- фотоприемника, в результате чего изменяется пло-

вершенствование как конструкции, так и технологии щадь его засветки и выходной сигнал [1]. Такого рода

изготовления сенсоров. В последнее время, наряду сенсоры могут найти применение для измерений

с традиционными сенсорами давления, работающими в пожаро- и взрывоопасных условиях. на тензорезистивном, емкостном, пьезоэлектриче- Применение технологии микросистемной тех-

ском и резонансном эффектах, стали исследоваться ники для изготовления фотоэлектрических сенсоров

Рис. 1. Структурно-кинематическая схема фотоэлектрического сенсора: а — одноточечное нагружение; б — двухточечное нагружение

давления позволяет уменьшить их габариты, упрощает сборку и юстировку и, как следствие, ведет к улучшению метрологических характеристик [2 — 4].

Однако к настоящему времени вопросы выбора конструкции, моделирование характеристик фотоэлектрических сенсоров с применением микросистемных технологий рассмотрены явно недостаточно. Ранее в работах [5, 6] были исследованы диаграмма направленности излучения оптоволокна и вопросы формирования кремниевого упругого элемента с жестким центром сложной формы в анизотропном травителе. В работе [7] моделировалась зависимость выходного сигнала фотоприемника при изменении площади его засветки.

В настоящей статье рассматриваются вопросы моделирования оптомеханического узла, входящего в состав предложенного типа сенсора давления.

2. Структура и принцип функционирования оптомеханического узла сенсора. Структурно-кинематическая схема фотоэлектрического сенсора представлена на рис. 1.

В состав сенсора входит оптомеханический узел и два фотоприемника (1). Оптомеханический узел содержит упругую кремниевую диафрагму (2) с жестким центром (3) и оптоволокно (4), размещенное в У-канавке в точке А на жестком центре. Под действием измеряемого давления свободный конец оптоволокна может перемещаться вместе с диафрагмой и жестким центром. Поток оптического излучения, выходящего из оптоволокна, изменяет уровень освещенности двух фотоприемников, включенных по дифференциальной схеме.

Выходной сигнал фотоэлектрического сенсора зависит от конструктивных размеров оптомеханиче-ского узла, от величины зазора между концом оптоволокна и плоскостью, в которой располагаются фотоприемники, что влияет на площадь светового пятна и степень засветки фотоприемников. Помимо опто-механического узла выходной сигнал зависит от материала фотоприемников, их топологии и исходной интенсивности засветки.

В настоящее время в оптомеханических узлах фотоэлектрических сенсоров давления применяются две различные схемы нагружения.

В одноточечной схеме усилие от кремниевой диафрагмы прикладывается через жесткий центр к оптоволокну в точке, расположенной на расстоянии ь от места закрепления оптоволокна (рис. 1а). В двухточечной схеме нагружения в интервале 0<х<ь добавляется неподвижная опора, на которой оптоволокно может свободно изгибаться. Обе схемы отличаются по величине перемещения свободного конца оптоволокна ь1 и углу поворота и поперечного сечения в этой точке.

3. Аналитическая оценка чувствительности опто-механического узла. Перемещение свободного конца оптоволокна в точке Ь1 определяется соотношением:

У(Ь) = У(Ь) + (Ь - Ь)- tgQп

где 6Ш — угол поворота сечения при Х = Ь.

Перемещение свободного конца оптоволокна может быть представлено в аналитической форме (1) при двух предположениях:

1. Размеры жесткого центра пренебрежимо малы по сравнению с размером диафрагмы, так что воздействие жесткого центра на оптоволокно можно считать точечным, а диафрагму (приближенно) — плоской.

2. Жесткость оптоволокна много меньше жесткости кремниевой диафрагмы. В этом случае можно пренебречь воздействием оптоволокна на прогиб диафрагмы.

Анализ проведен для простейшего случая одноточечного нагружения. В этом случае прогиб и поворот поперечного сечения оптоволокна под действием силы р, приложенной в точке Х = Ь, определяется соотношениями [8]:

У (Ь):

р - Ь3

3 е - j '

е „ =

р - Ь2

2Е - J '

где е — модуль упругости первого рода для кварцевого оптоволокна, j — момент инерции кругового сечения оптоволокна.

Приняв, что при х= ь перемещение оптоволокна равно прогибу диафрагмы wq, из соотношений (2) можно определить силу Р и угол поворота е:

б

Рис. 2. Конечно-элементная модель оптомеханического узла. В точках А применено условие ограничения перемещения. В точках Б контактные пары «ШсИои^б»

Р =-^-,

I3 1

ад = 3 • ^

2 I '

Для квадратной кремниевой диафрагмы прогиб ее центра под действием давления д определяется соотношением [9]:

= С

д • а ~h3~

где а — половина стороны диафрагмы, h — ее толщина, С — константа, зависящая от кристаллографической ориентации сторон диафрагмы. Если стороны диафрагмы ориентированы вдоль направлений [10] (наиболее важный практический случай), то С= 1,55-10-12 м2/Н.

Учитывая (1—4) для прогиба конца оптоволокна в точке 11 в рамках рассматриваемого приближения, получаем:

у (11)=2 (т-

1 !• С

д • а

Чувствительность оптомеханического узла тогда составляет:

5 = = 3 ГI! _

с1д

2 VI

h3

Из (6) очевидны способы повышения чувствительности путем изменения соответствующих размеров.

4. Численная модель оптомеханического узла.

При анализе работы реального оптомеханического узла необходимо учитывать конечные размеры жесткого центра и жесткость оптоволокна. Это особенно важно при рассмотрении двухточечной схемы нагружения. В данной части статьи приводится конечно-элементная численная модель оптомехани-ческого узла.

Оптомеханический узел включает кристалл, состоящий из толстой рамки и квадратной диафрагмы с прямоугольным жестким центром, сформированные из кремниевой (100) пластины по стандартной технологии жидкостного травления в водном растворе КОН. На поверхности кремниевой структуры

создана У-канавка, проходящая через рамку и жесткий центр, где размещается оптоволокно. Точка жесткого закрепления оптоволокна находится на контуре толстой рамки. Оптоволокно и кремниевая диафрагма закрепляются сверху кристаллом, повторяющим геометрию диафрагмы, но при этом его жесткий центр смещен на 300 мкм в сторону закрепления оптоволокна, а жесткий центр диафрагмы смещен на 300 мкм в сторону свободного конца оптоволокна.

Численное моделирование оптомеханического узла проводилось в пакете программ АИБУБметодом конечных элементов (МКЭ). Симметрия структуры позволила ограничиться расчетом 1/2 ее части. Модель была составлена из конечных элементов второго порядка 8ОЬГО186, которые предназначены для твердотельных структур с возможностью учета анизотропных упругих свойств материала. Элемент 8ОЬГО186 имеет форму гексаэдра с узловыми точками, расположенными в его вершинах и по одной на каждом ребре. Каждый узел имеет три степени свободы — перемещения в ортогональных направлениях. В целях повышения эффективности вычислений и более рационального использования ресурса конечных элементов из модели были исключены: толстые рамки упругого элемента и верхнего кристалла (рис. 2). При моделировании они были заменены на эквивалентные условия полного ограничения в перемещениях контура диафрагмы, неподвижных конца оптоволокна и верхнего жесткого центра. Область крепления оптоволокна к жесткому центру диафрагмы описана контактной парой связи без трения — Ыс-1;юп1е88. Нагрузка в виде измеряемого давления д была приложена к обратной стороне диафрагмы.

Упругие свойства кремниевой диафрагмы были определены изотропным модулем Юнга Е=169 ГПа и коэффициентом Пуассона и = 0,22 [10]. Упругие свойства оптоволокна были заданы изотропным модулем Юнга Е = 69 ГПа и коэффициентом Пуассона и = 0,17 [10].

Вычислительный эксперимент был составлен таким образом, чтобы выявить максимальное отклонение свободного конца оптоволокна в зависимости от толщины диафрагмы. При этом размеры диафрагмы выбраны равными 2x2 мм2, а ее толщина варьировалась в диапазоне от 40 до 80 мкм с шагом

3

h

Мембрана

J MW 2ÜU0 Оптоволокно

б

Рис. 3. а — прогиб мембраны; б — отклонение оптоволокна вдоль оси симметрии структуры при давлении д = 5,5105 Па, толщина диафрагмы Ь = 60 мкм

20 мкм. Оптоволокно диаметром 125 мкм длиной 2950 мкм вложено в V-канавку шириной 153 мкм и глубиной 108 мкм. При вычислении размер основания жесткого центра принимался равным 750 мкм.

5. Обсуждение результатов моделирования. На рис. 3а и 3б приведены прогиб диафрагмы с жестким центром и изгиб оптоволокна при двухточечной схеме нагружения при давлении д = 5,5'105 Па и толщине диафрагмы h = 60 мкм.

Наличие жесткого центра приводит к уменьшению величины прогиба по сравнению с плоской диафрагмой, для которой прогиб определяется выражением (4). Смещение жесткого центра относительно центра симметрии диафрагмы приводит к несимметричности профиля прогибов вдоль направления оптоволокна. При двухточечной схеме нагружения, как показано на рис. 3б, возникает участок с отрицательными значениями прогибов оптоволокна. Благодаря этому, угол поворота сечения оптоволокна в области жесткого центра кремниевой диафрагмы

увеличивается, что приводит к общему возрастанию чувствительности оптомеханического узла.

На рис. 4 приведены прогибы конца оптоволокна для диафрагм толщиной 60 и 40 мкм (штриховые линии) согласно результатам математического моделирования. На этом же рисунке приведены экспериментальные данные прогибов, пересчитанные из электрического сигнала фотоприемников, которые показывают хорошее согласие с расчетами.

Преобразовательная характеристика оптомеханического узла Y(L1) = f(q) носит линейный характер. Величина нелинейности не превосходит 0,02 %, что соответствует современным тензорезистивным сенсорам.

Разработанный конечно-элементный метод расчета чувствительности оптомеханического узла позволяет оптимизировать его характеристики. Общую чувствительность сенсора можно дополнительно увеличить путем управления интенсивностью светового потока, поступающего по оптоволокну на фотоприемники.

а

12

10-

5

х

3-

I

- — Hi --Д • • 1 i - h=80 мкм, МКЭ - h=60 мкм, МКЭ h=78,5 мкм, S=1,22 мкм/атм. h—39,0 мкм, S=2,23 мкм/атм.

y/i / ' :

jf s' / / . у

/ / // * s г

// у * J г "

s* ' //

f У /

' 1

100

200 300

P,

400

500

600

Рис. 4. Зависимости выходного сигнала сенсора с оптической модуляцией сигнала от давления

Библиографический список

1. Dziuban J. A., Gorecka-Drzazga A., Lipowicz U. Silicon optical pressure sensor // Sensors and Actuators A. 1992. Vol. 32. P. 628-631.

2. Бусурин В. H., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применение. М.: Энергоатомиздат, 1990. 254 с. ISBN 5-283-01523-8.

3. Окоси Т. И. [и др.]. Волоконно-оптические датчики / под ред. Т. И. Окоси. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.

4. Vaganov V. I. Construction problems in sensors // Sensors and actuators A 28. 1991. P. 161-172.

5. Бялик А. Д., Гридчин В. А., Васильев В. Ю., Игнатов А. Н., Чернов А. С. Экспериментальное исследование осевой составляющей диаграммы направленности излучения многомодового оптоволокна // Вестник СибГУТИ. 2015. № 2. С. 191-197.

6. Чернов А. С., Чебанов М. А., Гридчин В. А., Васильев В. Ю. Исследование закономерностей формирования 3D островковых структур Si (100) при травлении в водном растворе КОН // Нано- и микросистемная техника. 2015. № 9. С. 34-40.

7. Гридчин В. А., Васильев В. Ю., Чебанов М. А., Бялик А. Д., Чернов А. С. Численное моделирование элементов фотоэлектрического волоконно-оптического сенсора давления // Нано-и микросистемная техника. 2014. № 6 (167). С. 3-7.

8. Тимошенко С. П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки / пер. с англ. В. И. Контовта; под ред. Г. С. Шапиро. 2-е изд., перераб. М.: Физматгиз, 1963. 635 с.

9. Гридчин В. А., Драгунов В. П. Физика микросистем. В 2 т.: учеб. пособие для вузов. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. Т. 1. 416 с.

10. Чернов А. С., Самородов А. Л., Хабаров С. П., Гридчин В. А. Фоточувствительный элемент для сенсора давления с оптической пространственной модуляцией // Нано- и микросистемная техника. 2016. Т. 18. № 7. С. 416-423.

ЧЕРНОВ Артем Сергеевич, инженер-конструктор ООО «СибИС», г. Новосибирск. Адрес для переписки: chernov@sib-is.ru ГРИДЧИН Виктор Алексеевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники Новосибирского государственного технического университета (НГТУ).

БЯЛИК Александр Давидович, кандидат технических наук, доцент кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники НГТУ. Адрес для переписки: bialik@ngs.ru

Статья поступила в редакцию 29.12.2016 г. © А. С. Чернов, В. А. Гридчин, А. Д. Бялик