התפקיד הקריטי של חיישנים מכניים במיקרו-Movement Detection

מכשירים מוקדמים – ממיקרוסקופי כוח אטומיים ועד לפורצים המשמשים במרקם סמי-מוליכים למחצה – דורשים את היכולת לזהות עקירות שנמדדו ב- nanometers או אפילו picometers. אלה micro-movements להתעורר מהתרחבות תרמית, רטטים מכניים, חומר גילוי או הפעלה מכוונת, ולכידתם באופן מדויק חיוני לשמירה על תפקוד, בקרה, ולהבטיח כי המוצר האיכותי כבר חיישנים מכניים אלה מציעים לכדי דחיסה מורכבת של חומרים אופטיים של חומרים אלה, או מדידה של תכונות מכניות של חומרת של חומרת תגובה פיזית, ללא תפקוד יעיל של חומר זה, או חומר זה, ללא תפקוד יעיל של חומר זה, ללא תפקוד מדויק של חומר מכניות אופטית של חומר זה, או מדידה יעילה של חומר זה, או מדידה של חומר מכנית חומרת חומר זה, או חומר זה, ללא תפקוד מדויק של חומר מכנית חומר זה, ללא תפקוד יעיל של תכונות מכנית של חומר זה, ללא תפקוד מדויק של חומר מכנית חומר מכנית חומר מכנית חומר מכנית חומרת חומרת חומרת חומרת חומרת חומר זה, ללא תפקוד יעיל של תכונות מכנית של תכונות מכנית של תכונות מכנית חומר זה, אשר מופעלת חומר זה, אשר מופעלת של חומר זה,

סוגים של חיישנים מכניים עבור Detecting Micro-movements

כל טכנולוגיית חיישן מסתמכת על מנגנון פיזי ייחודי להמיר עקירה דקה או מתח לתוך פלט מדידה.הבחירה ביניהם תלויה בגורמים כגון החלטה נדרשת, תגובה תדירות, עמידות סביבתית, וקלות של שילוב. הסוגים הנפוצים ביותר הם חיישנים קמציקים, חיישניים אדזואלקטריים, זנים, ומדפרמטרים אופטיים - אם כי האחרון הוא לעתים קרובות מסווג כמו חיישן אופטי, ממשק מכני שלו (למשל, creative), עיגולים).

חיישן Capacitive

חיישנים עקירה זעירים מזהים שינויים בעצימות בין שתי צלחות מוליכים. as the Distance between the Plate change due to micro-movement, the capacitance משתנה באופן הפוך עם הפער.החיישנים המודרניים של capacitive להשיג החלטה תת-מטר (במרחק ל-0 nm) עם טווח מדידה ממיקרומטרים בודדים לכמה מ"מ.

חיישנים Piezoelectric

חיישני Piezoelectric לנצל את ההשפעה ה ⁇ הישירה: כאשר מתח מכני מוחל על חומר גבישי מסוים או קרמיקה (למשל, quartz, להוביל zirconate titanate), מטען חשמלי מצטבר על פני גבישים. מטען זה הוא פרופורציה לכוח או עיוות, מה שהופך את החיישנים האלה לרגישות מיקרו-תנועה דינמית - גירוי, השפעות, ועקירה מהירה (לאוכים) עבור גירויים קטנים (מפרקים) אך הם לא מתאימים למיקרו-מדומים (מפרקים) אך ורק לתדירות גבוהה יותר).

סטרין גאגס

מדד סטרין הם העורכים של מדידת עיוות מכנית.מד זן מורכב מסולק מתכת דק או תבנית Semiconductor המחוברת למצע גמיש.כאשר תת-התחולה מפורעת, ההתנגדות החשמלית של השינויים הסולסלים עקב תופעות לוואי גיאומטריות ומדורגות (אך הן יכולות לקבע את המדים בגשר חיטה, שינויים לדקה (כפי שנמוכים כ- 0.1) יכולות להיות מזיהומים רגישים ל- 50 גרם).

אינטרפרמטרים אופטיים

בעוד אופטית, מדרומי ביניים המדדודים את העקירה באמצעות תנועת מראות מכנית משולבים לעתים קרובות במערכות כלי דיוק.שליסון ופברי-פרומטרים משתמשים בהתערבות אור לייזר כדי למדוד שינויים באורכו של נתיב אופטי שנגרם על ידי עקירת מטרה רפלקטיבית.הם מספקים את ההחלטה הגבוהה ביותר – מטה לרמות מיקרוסקופיות מדויקות – והם ניתנים לעקביות של מד"ר, אך רגישים להפרעות סביבתיות (FD) כמו מוטציות מדויקות (Friting) וטכנולוגיות).

עקרונות עבודה ב Depth

הבנת מנגנוני ההקצאה מסייעת בבחירת החיישן הנכון למשימה של מדידה מיקרו-מובנת.כאן אנו מרחיבים את הפיזיקה שמאחורי כל סוג.

Capacitive Sensing: The Parallel-Plate Model

(ב) [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אפקט Piezoelectric ומדכאות דינמיות

[האפקט ה ⁇ ] עולה מן המבנה הקריסטל הלא-מרכזי של חומרים מסוימים.כאשר כוח מוחל, ה-ice העגב מתעוות, משמר מרכזי מטען חיוביים ושליליים ויוצרים קיטוב (FLT:0QFLT) אך אמצעי זיהוי סלקטיבי (החומרים) אינם יכולים לנטרול את כלי החמצודה הנטואיטיביים (FLT:2FLT 3:2FERD) LT=R.

שינוי התנגדות של סטרין Gauge Resistance Change

עבור מד מתח של מתכת, השינוי השברירי בהתנגדות ⁇ R / R הוא פרופואלי לזן ε: ⁇ R / R = GF × × × × , שבו GF (גורם guge) הוא בדרך כלל בערך 2 עבור נצנצנצנצנומטר קבוע.ב מדפסים מוליכים למחצה, אפקט ⁇ טיבי שולט, מניב ערכים מ 50 עד 200.

המונחים: Interferometric Displacement

בתוך מדחום הומודין מישלסון, קרן לייזר מחולקת לזרוע ההתייחסות וזרוע מדידה המשקפת את המטרה נעה.הדבורים המוחזרות מתערבות, והעוצמה של הגלאי משתנה באופן סימנואיד עם עקירה בשלבים חצי גלאזני גלימות.על ידי ספירת שוליים וטכניקות הפרדה (למשל, שלב-מנעל), פתרון תת-קרקעי מושגת לכדי שימוש בתחושות של לייזר שונות.

ראשי תיבות של Micro-movement Sensors

בעת בחירת חיישן מכני עבור מכשיר דיוק, מהנדסים לשקול כמה מדדים:

  • (FLT:0)Resolution:ראהFLT:1) השינוי הקטן ביותר שניתן לזהות בעקירה. חיישנים קפאוליטיביים ו- interferometric להשיג פתרון תת-מטר; מדדי זנים וחיישנים אדזואלקטריים בדרך כלל להשיג ננומטר לרזולוציה מיקרומטר בהתאם לטווח המדידה וקומה הרעש.
  • (FLT:0)Bandwidth:FLT:1, טווח התדר שבו החיישן יכול להגיב במדויק. חיישנים Piezoelectric יש את רוחב הפס הגבוה ביותר (DC ל MHz), בעוד חיישנים קיבוליים מוגבלים על ידי מעגל המיזוג (בדרך כלל DC עד 20 kHz).
  • (FLT:0)Linearity:FLT:1 איך התפוקה תואמת את הקלט על טווח המדידה. חיישנים קיבוליים עם אלקטרודות שמירה יכול להשיג לינאריות טובה יותר מ 0.1% של קנה מידה מלא.
  • (FLT:0)Range:BuildFLT:1; העקירה המרבית שניתן למדוד. חיישנים קפאוליים יש טווחים מעשרות מיקרומטרים למספר מ"מ; זנים תלויים בעיצוב גמיש; בין-מטרים יכולים למדוד ננומטרים עד מטרים.
  • (FLT:0) רגישות סביבתית: סחף 1:1 טמפרטורה, לחות, הפרעה אלקטרומגנטית ורטטים משפיעים על קריאה. strain Measures וחיישנים קיבולים דורשים פיצוי; interferometers צריך נתיב אופטי יציב.
  • (FLT:0 Contact vs. non-comp:Felo:1 חיישנים ללא מגע (capacitive, interferometric) נמנעים מלהיות לבוש ולא להוסיף קשיחות למדידה, בעוד מדדים וחיישנים אדזואלקטריים דורשים מגע בין המינים או מגע פיזי.

יישומים ב Precision Instruments and Systems

הביקוש לזיהוי מיקרו-תנועה משתרע על פני מספר רב של מגזרים טכנולוגיים.כאן הם דוגמאות מפורטות.

המונחים: Probe Microscopy

מיקרוסקופי כוח אטומיים (AFMs) וסורק מיקרוסקופים מנהרות (STMs) דורשים מיקום של בדיקה חדה על מדגם עם דיוק תת-מטר. חיישנים קפאוליטיביים משולבים לתוך הסורק לספק משוב סגור-פרלופ כדי לפצות על משככי כאבים גרפיים וhysteresis, המאפשר הדמיה ללא סחף. pin מדיום משמשים גם בחלק משלבי AFM כדי לפקח על ה-Fightter של ה-APTIQ.

ייצור Semiconductor

Wafer תהלוכות וקווי מסיכה מסתמכים על מיקום מדויק של שכבות מעגל עם היערכות ננומטר. לייזר אינטרפרמטר הם תקן למעקב אחר מיקום שלב, המציעה החלטה מיקרוסקופית על טווחי נסיעה של מאות מ"מ.חיישנים Capacitive משמשים להתאמה בגובה עדין (מוקד) ולעקוב אחר שטוחות שומן.כל מיקרו-מעקב עקב סחף תרמי או רטט חייב להיות מזוהה ולהפצה בזמן אמיתי.

מעקב אחר בריאות

בהנדסה אזרחית ואווירקל, חיישני מיקרו-תנועה מזהים צמיחה סדקים, עייפות חומרית או רטט מופרז. Strain Measures מתחבר גשרים, כנפיים מטוסים, או צינורות למדוד עיוות מקומי; מדרומי אגזואלקטריים קולטים לוכדים את חתימות הרטט לניתוח מודוללי. אלה נתונים לאלגוריתמים פרוגנוסטיים שחיזוי כישלונות זמן רב לפני שהוא הופך לחיישנים מבניים יכולים למדוד כמה שינויים קלים, או להפחית את ההתרחבות של ננומטר או .

מכשירים רפואיים ו-Surgical Robotics

כלים כירורגיים פולשניים מינימליים, כגון תחנות כוח רובוטיות, דורשים משוב מטושטש למנתחים. Strain Measures משולבים לתוך כלי טיפ מדד כוחות בטווח מילימטרינטון, המקבילה למיקרו-הנעה של הרקמה. Piezoelectric פועל כמו חיישנים tactile עבור הוספת מחט.In-precision מערכות עבור רדיו (למשל, CyberKfe), להבטיח חיישנים מתאימים לטיפול subimate.

סיאולוגיה וגיאופיזיקה

סמנטיים הם למעשה מאוד רגישים מאיצה אשר לזהות תנועה קרקעית הנגרמת על ידי רעידות אדמה או פעילות אנושית. משקעים פס רחב מודרני להשתמש בשילוב של מערכת הנקה כוח עם חיישן עקירה קמצית.המסה מושעה נע יחסית למסגרת; לוחות קיבוליים מודדים את העקירה, וחיל משוב חל כוח שחזור כדי לשמור על המסה הנוכחי הוא פרופורציה לכדי גירוי קטן מתחת לראיה.

אתגרים ופתרונות הנדסה

למרות היכולות המתקדמות שלהם, חיישני מיקרו-תנועה מכניים עומדים בפני מגבלות מעשיות הדורשות תכנון קפדני ותגמול.

המונחים: Drift

כל החיישנים המכניים מושפעים מהתפשטות תרמית של גוף החיישן, המטרה, והמבנה הצומח.מד סטרין הם רגישים במיוחד לטמפרטורה מכיוון שהתנגדותו של הסולם משתנה עם טמפרטורה. Solutions כוללת שימוש במדדים עצמיים, מתפתלים בתצורה של חצי או מלאה של גשרים עם מד דומומי זהההההההההההה, אך לא מתוחים, ומשלבים את התוכנה לחיישנים נמוכים (Creperative-Creperative) עם חומרים מגובה בטמפרטורה נמוכה (Creditperative-Creditol-Creditol-Creditol-Creperi) ו-Creperi-Creperi-Creative) עם .

אלקטרומגנטי הבין-לאומית (EMI)

חיישניים רגישים וגשרים מד זן מייצרים אותות ברמה נמוכה מאוד רגישים ל-EMI ממנועי, אספקת חשמל ומכשירים אלחוטיים. Shielding (מאגרפים מעופפים), מתפתלים מעוותים, וגברה שונה הם פרקטיקות סטנדרטיות.עבור חיישנים אדזואלקטריים, מגבר עם תנופה גבוהה ורעש נמוך הם חיוניים; כבל חייב להיות קצר או כולל מתווך סטנדרטי (מתאים).

Hysteresis ו- Creep

מבנים מכניים, במיוחד אלה שנעשו עם דבקים או חומרים פולימרים, יכולים להציג היסטריה (תלויים פתטיים) ומצמר (העיוות הנמוך תחת עומס קבוע) זה מקטין את הדיוק של מדידות סטטיות או נמוכות.במכשירים מדויקים, השפעות אלה מצטמצם על ידי שימוש בגמישות מונוליטית עשוי מברזל או טיטניום, הימנעות מחיבורים שבהם אפשרי, ומעסיקות עם משוב חשוף באופן פעיל כדי לבטל את החיישן.

קלבריות וטרגדיה

עבור יישומים מטרופולין, חיישנים חייבים להיות מעוקלים נגד סטנדרטים לאומיים. אינטרפרמטרים הם לעתים קרובות calibrated על ידי תקני גל אורכי (למשל, ייצוב לייזר HeNe). חיישנים Capacitive יכול להיות calrated באמצעות לייזר אינטרפרמטר כמו הפניה. החלמה רגילה היא הכרחית בגלל הזדקנות של רכיבים אלקטרוניים, זיהום של פני השטח, ללבוש מכשירים מכניים רבים.

טכנולוגיות מתפתחות וכיוונים עתידיים

מחקר מתמשך במדעי החומרים, מיקרו-תזונה, עיבוד אותות דוחף את הביצועים של חיישני מיקרו-תנועה מכניים עוד יותר.

מד"ר MEMS Capacitive Accelerometers

מערכות מיקרו-אלקטרוניקה (MEMS) יש מיני-מסוגיות וחיישנים דביקים לרמה השבבים.מודרני MEMS Accelerometers יכול להשיג רצפות רעש מתחת 10 μg / ⁇ Hz והחלטות בטווח תת-מטר כאשר נעשה שימוש כמו חיישנים עקירה (על ידי שילוב האצה) הם זולים, מזוהים, יכולים להשתלב ישירות לתוך התפתחויות מכניות כולל מצבי חירום גבוהים יותר.

ננווט ו 2D חומר סטרין Gauges

Graphene ו molybdenum disulfide (MoS2) להציג גורמים מאוד גבוה מדד (עד כמה אלפי) בשל מבנה הלהקה הייחודי שלהם וגמישות מכנית. חוקרים הוכיחו חיישנים עם רזולוציה תת-מיקרו-מיקרו-אימונית באמצעות monolayer גרפן, אשר גם מציע שקיפות אופטית וגמישות -ide עבור מכשירים לבישים ומטרופולין בעל פני השטח.

חיישנים מיקרו-כבדים אופטיים

Whispering-gallery-mode (WGM) מיקרו-רואיטורים - פחמי זכוכית או ספירות גבישיים או toroids - יכולים לזהות עקירה באמצעות שינויים באורכי הגל המהדהדים הנגרמים על ידי עיוות מכני.חיישנים אלה מציעים רגישות קיצונית (בהמשך לגילוי ברמה של אטום) ורוחב הפס הגבוה, מה שהופך אותם מועמדים למיקרוסקופיפיקציה אטומית וגילוי גל עם אינטגרציה עם התאמות מעגליות.

חיישן היברידי Fusion ו- Digital Compensation

על ידי שילוב של סוגי חיישן מרובים (למשל, חיישן חומצי ומד זן) ושימוש עיבוד אותות דיגיטליים על הסיפון, מהנדסים יכולים להתגבר על החולשות של כל אחד.לדוגמה, חיישן אדזואלקטרי מספק נתונים רטט גבוה, בעוד חיישן capacitive נותן מיקום DC-accurate, ופילטר קלמן ממזג אותם בזמן אמת.

מסקנה

חיישנים מכניים לאיתור מיקרו-מעבורות הם היסוד לפעילות של מכשירים מדויקים מודרניים. Capacitive, Piezoelectric, מד מתח, וחיישנים אופטיים בין-פרומטריים כל אחד מציעים נקודות ייחודיות מבחינת החלטה, רוחב פס, טווח וסובלנות סביבתית.בחירת חיישן הנכון דורש ניתוח זהה של אותות מסחר על בסיס מגבלות מדידה ספציפיות.