Датчики на основе микро- и нанотехнологий

1.

датчики на основе микро- и нанотехнологий
1
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ,
САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ И КОНТОЛЬНЫХ РАБОТ
1. Вопросы по введению
1.1. Что такое микро- и нанотехнологии ?
1.2. Что такое «электронный датчик», «микроэлектронный датчик»,
«сенсор» и «актюатор»?
1.3. Дать определения терминам «измерения», «средства
и методы
измерений», «измерительный канал», «первичные измерительные
преобразователи», «вторичные измерительные преобразователи».
1.4.
Классификация
электронных
преобразователей
по
типам
преобразуемых величин.
1.5. Понятия «электронные преобразователи физических величин» и
«чувствительные элементы датчиков».
1.6. Измерительные устройства, приборы, системы и комплексы.
1.7. Прямые и косвенные методы измерений.
1.8. Структурно-функциональная схема измерительно-информационной и
измерительно-управляющей систем.
1.9. Характерные тенденции развития измерительной техники.

2.

2
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ,
САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ И КОНТОЛЬНЫХ РАБОТ
1.1.Вопросы по введению
1.10. Классификация ДМНТ и преобразователей.
1.11. Структура интегральных датчиков.
1.12. Классификация интегральных датчиков.
1.13. Функция преобразования ДМНТ или ПФВ?
1.14. Дифференциальная и интегральная чувствительности датчика или
преобразователя?
1.15. Погрешность измерения. Абсолютная и относительная погрешности.
1.16. Инструментальная и методическая погрешности.
1.17. Систематическая и случайная погрешности.
1.18. Погрешности аддитивная, мультипликативная и нелинейности.
1.19. Что такое информативные параметры входного сигнала датчика X и
информативные параметры выходного сигнала датчика Y ?
1.20. Что такое естественная входная величина X и естественная выходная
величина Y для ПФВ и датчиков?

3.

3
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ,
САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ И КОНТОЛЬНЫХ РАБОТ
1. Вопросы по введению
1.21. Что такое параметры влияющих факторов Zj?
1.22. Что такое измеряемая величина x ?
1.23. Статическая и динамическая погрешности.
1.24. Быстродействие и постоянная времени.
1.25. Погрешность квантования.
1.26. Порог чувствительности.
1.27. Основная, дополнительная и эксплуатационная погрешности.
1.28. Прогрессирующая погрешность.
1.29. Диапазон преобразования и рабочий диапазон преобразования.
1.30. Эксплуатационные характеристики датчиков.
1.31. Себестоимость и рыночная цена датчиков.

4.

4
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ,
САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ И КОНТОЛЬНЫХ РАБОТ
1.
Вопросы по второму разделу
2.1. Что такое термоэлектрические преобразователи и датчики
температуры? Приведите примеры.
2.2. Основные метрологические и эксплуатационные характеристики
термодатчиков.
2.3. Плёночные термопары и термобатареи (физические принципы работы,
конструктивно-технологические особенности, основные характеристики,
преимущества, недостатки, области применения).
2.4. Металлические терморезисторы (физические принципы работы,
конструктивно-технологические особенности, основные характеристики,
преимущества, недостатки, области применения).
2.5. Полупроводниковые терморезисторы (физические принципы работы,
конструктивно-технологические особенности, основные характеристики,
преимущества, недостатки, области применения).
2.6. Терморезисторы на основе композитов (принципы работы,
конструктивно-технологические особенности, основные характеристики,
преимущества, недостатки, области применения).

5.

5
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ,
САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ И КОНТОЛЬНЫХ РАБОТ
1.
Вопросы по второму разделу
2.7.. Термоконденсаторы (физические принципы работы, конструктивнотехнологические особенности, основные характеристики, преимущества,
недостатки, области применения).
2.8. Термодиоды (физические принципы работы, конструктивно-технологические
особенности, основные характеристики, преимущества, недостатки, области
применения).
2.9. Термотранзисторы (физические принципы работы, конструктивнотехнологические особенности, основные характеристики, преимущества,
недостатки, области применения).
2.10. Принцип работы схемы PTAT.
2.11. Интегральный полупроводниковый термодатчик AD590.
2.12. Интегральный полупроводниковый термодатчик DS18B20.
2.13. Интегральные гибридные термодатчики.
2.14. Что такое активные измерительные электроды?
2.15. Эквивалентная электрическая схема контакта электрод-кожа.
2.16. Что такое активные мультимикроэлектроды?

6.

6
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ,
САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ И КОНТОЛЬНЫХ РАБОТ
1.
Вопросы по второму разделу
2.17. Преобразователи Холла.
2.18. Магниторезисторы.
2.19. Магнитодиоды.
22.0. Магнитотранзисторы.
2.21. Интегральные магниточувствительные датчики.
2.22. СКВИДы.
2.23. Области применения магниточувствительных датчиков.
2.24. Упругие элементы тензопреобразователей.
2.25. Прицип работы тензорезисторов.
2.26. Области применения тензорезисторов.
2.27. Интегральные датчики давления.
2.28. Интегральные датчики ускорения.
2.29. Чувствительность датчиков на основе резисторов, включённых в
мостовые схемы.
2.30. Прицип работы преобразователя Холла.
2.31. Прицип работы магниторезистора.

7.

7
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ,
САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ И КОНТОЛЬНЫХ РАБОТ
1.
Вопросы по второму разделу
2.32. Прицип работы магнитодиода.
2.33. Прицип работы 2-х коллекторного магнитотранзистора.
2.34. Прицип работы СКВИДа.
2.35. Фоторезисторы.
2.36. Фотодиоды.
2.37. Фототранзисторы.
2.38. Фотоприёмные матрицы.
2.39. Что такое радиация и облучение? Какие существуют источники
радиации?
2.40. Какие параметры могут характеризовать вид и уровень радиации?
2.41. Что такое радиационные эффекты? Классификация радиационных
эффектов (РЭ).
2.42. Полупроводниковые резисторы для измерения флюенсов.
2.43. Полупроводниковые диоды для измерения флюенсов.
2.44. Дозиметрические биполярные транзисторы.
2.45. Дозиметрические МДП-транзисторы.
2.46. Микрополосковые координатно-чувствительные МЭД.

8.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ,
САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ И КОНТОЛЬНЫХ РАБОТ
2. Ответить на следующие тесты группы «А»
[для каждого теста написать номер варианта ответа (1, 2, 3 или 4)]
А1. Что такое «Датчик» как средство измерения по функциональной
сложности?
1. Прибор.
2. Система.
3. Устройство.
4. Комплекс.
А2. Что такое «Электронный датчик»?
1. Датчик с электрическим питанием.
2. Преобразователь с электрическим входным сигналом.
3. Преобразователь электрических сигналов.
4. Датчик с электрическим выходным сигналом.
А3. Что такое «Термометр» как средство измерения по назначению и
функциональной сложности?
1. Прибор.
2. Система.
3. Устройство. 4. Комплекс.
А4. Что такое «Измерительный усилитель» по функциональной сложности?
1. Прибор. 2. Система.
3. Устройство. 4. Комплекс.
8

9.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ,
САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ И КОНТОЛЬНЫХ РАБОТ
2. Ответить на следующие тесты группы «А»
[для каждого теста написать номер варианта ответа (1, 2, 3 или 4)]
А5. Что такое «Барометр» как средство измерения по назначению и
функциональной сложности?
1. Прибор. 2. Система. 3. Устройство. 4. Комплекс.
А6. Какая совокупность характеристик представляет только метрологические
характеристики датчиков?
1. абсолютная погрешность, функция преобразования, потребляемая мощность.
2. погрешность квантования, функция преобразования, чувствительность.
3. относительная погрешность, чувствительность, надёжность.
4. чувствительность, основная погрешность, потребляемая мощность.
А7. Какая совокупность характеристик представляет только эксплуатационные
характеристики датчиков?
1. надёжность, потребляемая мощность, функция преобразования, срок службы.
2. время непрерывной работы, масса, погрешность квантования, чувствительность.
3. надёжность, основная погрешность, чувствительность, потребляемая мощность.
4. надёжность, потребляемая мощность, время непрерывной работы, время
подготовки.
9

10.

10
Тесты группы «А» :
А8. Зависимость мультипликативной абсолютной погрешности ∆X от
информативного параметра входного сигнала датчика X может быть
представлена как
1.
.
2.
.
3.
.
4.
.
Написать номер варианта ответа (1, 2, 3 или 4).
А9. Зависимость аддитивной абсолютной погрешности ∆X от
информативного входного параметра сигнала датчика X может быть
представлена как
1.
.
2.
.
3.
.
4.
.
Написать номер варианта ответа (1, 2, 3 или 4).

11.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ,
САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ И КОНТОЛЬНЫХ РАБОТ
Задача 2(1)
1. Определить в диапазоне температур от – 50 °C до + 100 °C функцию
преобразования Uвых(T), дифференциальную и интегральную чувствительности
датчика температуры на основе резисторного преобразователя R1, включённого в
показанную на рисунке мостовую
схему, если функция преобразования
терморезистора представляется как R1(T) = R10 (1 + α·ΔT). Напряжение E = 5 В.
Значения R10 (при T0 = 20 °C) = R2 = R3 = R4 = 5 кОм. Сопротивление RН >> R10 .
Коэффициент α = 0,05 1/ °C. ΔT = T – T0 ; Uвых = φB – φA .
11

12.

12
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ
Решение
Дано: E = 5 В; R1(T) = R10 (1 + α·ΔT); R2 = R3 = R4 = R10= R10= 5 кОм;
α = 0,01 1/ °C; ΔT = T – T0; T0 = 20 °C; T1 = – 50 °C; T2 = + 100 °C; RН >> R10 .
Найти: 1) Uвых(T); 2) Sд (T) = dUвых/dT ; 3) S = ΔUвых/ΔT.
________________________________________________________________
1) Uвых = φB – φA = U; ΔT = T – T0;
U = 0,5α· ΔT·E /(2 + α·ΔT).
U 1 = U (T 1) = 0,5·0,01·5·(– 70) / [2 + 0,01·(– 70)] ≈ – 1,35 (В).
U 2 = U (T 2) = 0,5·0,01·5·80 / [2 + 0,01·80] ≈ 0,71 (В).
2). Sд = dU/dT = α·E /(2 + α·ΔT)2 .
Sд1 = Sд (T 1) = 0,01·5/(1,3)2 ≈ 29, 6 (мВ/ °C).
Sд2 = Sд (T 2) = 0,01·5/(2,8)2 ≈ 6,4 (мВ/ °C).
3). S = ΔU/ΔT = (U 2 – U1)/ΔT = 2,05/150 ≈ 13,7 (мВ/ °C).
Ответы: U = 0,5α· ΔT·E /(2 +αΔT) = – 1,35 В … + 0,71 В.
Sд = α·E /(2 + α·ΔT)2 = 6,4 мВ/ °C … 29, 6 мВ/ °C.
S = 13,7 мВ/ °C.

13.

13
3. Задачи (в КР - тесты группы «B»)
Задачи СР-1 основаны на применении потенциометрической (а)
или амперометрической (б) схем моста Уитстона
R1 = Rx = Rx0 + ΔRx.

14.

14
3. Задачи (тесты группы «B») :
B1. Определить
выходное напряжения Uвых(X) и оценить
дифференциальную чувствительность датчика Sд = dUвых/dX на основе
резисторного преобразователя R1, включённого в показанную на рисунке
мостовую схему, если функция преобразования чувствительный элемента
представляется как R1(X) = R10 (1 + α·X). Напряжение Uвых = φB – φA .
R10 = R2 = R3 = R4 . RН >> R10 . Параметры функции преобразования и
моста представлены ниже в таблице для нескольких вариантов.

15.

Параметры функции преобразования ЧЭ и моста для задачи B1
№ варианта
E, В
R10, кОм
α/[X ]
X, усл. ед.
1
5
1
0,01
1
2
5
2
0,02
2
3
5
3
0,03
3
4
5
4
0,04
4
5
5
5
0,05
5
6
10
2
0,01
6
7
10
4
0,02
7
8
10
6
0,03
8
9
10
8
0,04
9
10
10
10
0,05
10
15

16.

16
3. Задачи (тесты группы «B») :
B2. Оценить интегральную чувствительность датчика S = Uвых1/X на основе
резисторного преобразователя R1, включённого в показанную на рисунке
мостовую схему, если функция преобразования ЧЭ представляется как
R1(X) = R10 (1 + α·X). Uвых1 = φB – φA . R10 = R2 = R3 = R4. RН >> R10.
Определить относительное отличие (в %) функций преобразований
δUвых(X) = [(Uвых1– Uвых2)/Uвых2]×100%, если напряжение Uвых2 соответствует значениям (φB – φA) при RН = 200 кОм. Параметры функции R1(X) и
моста представлены ниже в таблице для нескольких вариантов.

17.

17
Параметры функции преобразования ЧЭ и моста для задачи B2
№ варианта
E, В
R10,кОм
α/[X ]
X, усл. ед.
11
5
1
0,01
1
12
5
2
0,02
2
13
5
3
0,03
3
14
5
4
0,04
4
15
5
5
0,05
5
16
10
2
0,01
6
17
10
4
0,02
7
18
10
6
0,03
8
19
10
8
0,04
9
20
10
10
0,05
10

18.

18
Самостоятельная работа №1
Задания для самостоятельной работы №1 (90 мин)
В письменном виде (лучше в электронном виде), объёмом не
более 3 стр. формата А4, ответить на вопросы и тесты А,
решить задачу B и переслать ответы и решения на мою
электронную почту или сдать СР-1 мне лично до …
октября.
Персональные номера вариантов, вопросов, тестов и задач
указаны в таблице (слайд 19).
Желаю успехов.

19.

19
Самостоятельная работа №1
Задания для самостоятельной работы №1 (90 мин)
№
варианта
№
теста А/оценка
№
задачи В/оценка
1
А1/
В1-1/
2
А2/
В1-2/
3
А3/
В1-3/
4
А4/
В1-4/
5
А5/
В1-5/
6
А6/
В1-6/
7
А7/
В1-7/
8
А8/
В1-8/
9
А9/
В1-9/
10
А10/
В1-10/
11
А11/
В2-1/
12
А12/
В2-2/
13
А13/
В2-3/
14
А14/
В2-4/
Фамилия И.О.
№
вопроса/оценка
Общая
оценка

20.

20
ФОРМАТ ОФОРМЛЕНИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ №1
Самостоятельная работа №1
по курсу «ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИЙ»
Выполнил студент гр. С20-402
Вариант № 1
Фамилия И.О.
Дата (число, месяц, год) 10.10.24
1. Вопрос №1. Что такое микро- и нанотехнологии ? Ответ: …
2. Вопрос №13. ….. Ответ: …
3. Тест А1. Какая совокупность характеристик представляет только
метрологические характеристики датчиков? . …
Ответ: …
4. Задача В1-1. Краткое условие задачи, решение задачи (обязательно) и
Ответы: ………………
Личная подпись.

21.

Система оценки результатов самостоятельной работы №1
11) вопрос: «0» – нет ответа или неправильный ответ, «1» – неточный ответ, «2» –
правильный ответ.
Максимальный суммарный балл за 2 вопроса – 4.
2) тест А: «0» – нет ответа или неправильный ответ, «1» – правильный ответ.
Максимальный суммарный балл за 1 тест – 1.
3) задача В: «0» – нет решений; «1» – одного из решений нет или оно неправильное, во
втором есть неточности; «2» – одного из решений нет или оно неправильное, второе
решение правильное; «3» – в одном из решений есть неточности, второе решение
правильное; «4» – все решения правильные.
Максимальный суммарный балл за задачу – 4.
Максимальный суммарный балл за всю СР1 – 9.
Соответствия оценок 9ой- балльной системы оценкам традиционной 4-х балльной системе:
0 , 1 → «2», 2, 3, 4 → «3», 5, 6, 7 → «4», 8, 9 → «5».
Если CP оформлена не по формату, то оценка по 9- балльной системе снижается на 1 балл!
Если CP сдана после срока,
то оценка по 4-х балльной системе снижается на 1 балл!
21

22.

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЯСНЕНИЯ
К КОНТРОЛЬНЫМ РАБОТАМ ПО КУРСУ
«СЕНСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ»
1. Структура типовых заданий и тестов
Всего типовых заданий – 60:
заданий части 1 (А) – 48 и заданий части 2 (В) – 12.
Составлено 3 типа тестов (контрольных работ), каждый из которых
содержит 4∙n вариантов, где n – натуральное число.
Каждый вариант теста включает пять заданий: четыре – из части 1 и
одно – из части 2.
2. Время выполнения контрольной работы
На выполнение контрольной работы отводится 50 минут.
22

23.

23
3. ИНСТРУКЦИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ
Вариант контрольной работы №1 состоит из 2-х частей,
включающих 5 заданий.
Часть 1 содержит 4 задания (А1–А4). К каждому заданию
дается 4 варианта ответа, из которых правильный только один.
Номер варианта этого ответа нужно записать в соответствующий
квадрат на первой странице экзаменационного листа.
Часть 2 содержит одно задание (В1), на которое следует дать
один, два или три ответа (в зависимости от задания). Для задания
В1 ответ необходимо записать в виде набора цифр или формул в
соответствующие клеточки на первой странице «Листа ответов»,
а на второй странице этого листа привести подробное решение
задания В1.

24.

24
При выполнении заданий В1 значение искомой величины
следует выразить в тех единицах физических величин, которые
указаны в условии задания. Если такого указания нет, то значение
величины следует записать в Международной системе единиц
(СИ).
При
вычислении
разрешается
использовать
непрограммируемый калькулятор.
Внимательно прочитайте каждое задание и предлагаемые
варианты ответа, если они имеются. Отвечайте только после того,
как вы поняли вопрос и проанализировали все варианты ответа.
Выполняйте задания в том порядке, в котором они даны.
Если какое-то задание вызывает у вас затруднение, пропустите
его. К пропущенным заданиям можно будет вернуться, если у вас
останется время. За выполнение различных по сложности
заданий дается один или более баллов. Баллы, полученные вами
за выполненные задания, суммируются. Постарайтесь выполнить
как можно больше заданий и набрать наибольшее количество
баллов.

25.

25
4. СИСТЕМА ОЦЕНИВАНИЯ ЗАДАНИЙ И РАБОТЫ В ЦЕЛОМ
Задание Части 1 считается выполненным, если был дан ответ
с кодом, соответствующим коду верного ответа. За выполнение
каждого задания присваивается либо ноль баллов («задание не
выполнено»), либо один балл («задание выполнено»). Максимальное
количество баллов, которое можно получить за выполнение заданий в
Части 1, – 4. За выполнение каждого задания Части 2 в КР1
присваивается либо ноль баллов («задание не выполнено, имеются
грубые ошибки»), либо 0,5 («задание выполнено частично, имеются
неточности»), или 1 («задание выполнено полностью»). Максимальное
количество баллов, которое можно получить за выполнение всех
заданий Части 2 в КР1, – 3. Максимальное количество баллов, которое
можно получить за выполнение всех заданий в КР1, –7.
Оценки по 4-х балльной системе:
«2» = 0 – 2 балла, «3» = 2,5 – 4 балла, «4» = 4,5 – 6 баллов,
«5» = 6,5 – 7 баллов.

26.

26
Лист ответов
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МИФИ
Кафедра микро- и наноэлектроники
Контрольная работа (тест №1)
по курсу «СЕНСОРЫ И ДАТЧИКИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ»
Выполнил студент гр.
____
Вариант № ________
РАЗДЕЛ А
__________________
Дата (число, месяц, год)__________
РАЗДЕЛ
B
ОЦЕНКА
(
цифрой
)
прописью
Подписи проверяющих
В соответствующих графах указать: № группы, фамилию и.о. студента, номер варианта (написан жирным
шрифтом на варианте теста), дату экзамена. В пустых клетках напротив номера задания раздела А (А1-А4)
написать номер варианта ответа (1, 2, 3 или 4). В клетки напротив номера задания раздела В (В1, В2, В3), начиная
с левой, написать число, являющееся ответом на вопрос задания. В каждой клеточке должна быть написана одна
цифра, знак или десятичная запятая. Ответ привести в единицах, указанных в условии задачи. Размерность не
указывать. В случае исправлений зачеркнуть неправильный вариант и рядом написать правильный (по каждой
позиции исправления можно делать только один раз). Другие записи и пометки делать на этой странице не
разрешается. Для необходимых выкладок и вычислений, а также решения задач раздела В использовать
следующую страницу. Ответы раздела В без решений не учитываются.

27.

27
ТИПОВЫЕ ЗАДАНИЯ В КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ №1
(часть 1)
А1. Что такое «Датчик» как средство измерения по функциональной сложности?
1. Прибор.
2. Система.
3. Устройство.
4. Комплекс.
А2. Что такое «Электронный датчик»?
1. Датчик с электрическим питанием.
2. Преобразователь с электрическим входным сигналом.
3. Преобразователь электрических сигналов.
4. Датчик с электрическим выходным сигналом.

28.

ТИПОВЫЕ ЗАДАНИЯ В КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ №1 (ЧАСТЬ 1)
А3. На рис.1 представлена
обобщённая структура современных
измерительно-информационных и измерительно-управляющих систем и
комплексов, на котором цифрами «1», «8», «12» условно обозначены
соответственно: объект измерения и/или управления,
пользователь
(например, человек-оператор), источники влияющих факторов.
Какой цифрой обозначены основные датчики?
Рис. 1.
1. Цифрой «4».
2. Цифрой «5».
3. Цифрой «3».
4. Цифрой «2».
28

29.

29
ТИПОВЫЕ ЗАДАНИЯ В КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ №1
(ЧАСТЬ 1)
А4. Какая совокупность характеристик представляет только
эксплуатационные характеристики датчиков?
1. надёжность, потребляемая мощность, функция преобразования,
срок службы.
2. время непрерывной работы, масса, погрешность квантования,
чувствительность.
3. надёжность, основная погрешность, чувствительность,
потребляемая мощность.
4. надёжность, потребляемая мощность, время непрерывной
работы, время подготовки.

30.

30
ТИПОВЫЕ ЗАДАНИЯ В КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ №1 (ЧАСТЬ 2)
B.1. На рис. 2. представлена функция преобразования
полупроводникового
терморезистора.
Определите
значения
дифференциальной чувствительности в точках А, В и С. Ответы
выразить в [Ом/град] и записать в соответствующие
прямоугольники с клетками для каждого разряда и знака
полученных значений, начиная с первой клетки.
Рис. 2.