Разработка системы определения перемещения движущегося предмета

курсовая работа

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.

Параметры

Материал

Коэрцитивная сила по индукции Нсв, А/м

Остаточная индукция Вr, Тл

Координата точки с максимально удельной энергией Нd, А/м

Координата точки с максимально удельной энергией Вd, Тл

Коэффициент возврата Кv, Гн

Феррит бария

5,4?105

0,77

2,86?105

0,385

1,35?10-6

Самарий-кобальт

1,85?105

0,39

1,08?105

0,15

1,36?10-6

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 10895-20832. 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 21427-83. Выбираем сталь 10895.

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

Параметры

Материал

Плотность , кг/м3

Температура плавления tпл, ?С

Ширина запрещённой зоны е0, эВ

Подвижность электронов мn, м2/В?с

Подвижность дырок мр, м2/В?с

Ge

5326

937

0,66

0,39

0,19

Si

2328

1417

1,107

0,135

0,048

GaAs

5317

1238

1,428

0,8

0,04

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 20282-86, 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.

Номер варианта

А

L

C

Lk

Ak

Bk

Z

б

1

3

3

4

5

3

1

2

30

2

4

4

4

6

3

2

2,5

30

3

7

5

6

9

7

1,5

3

30

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

Рассматриваемые параметры магнитной системы

1

2

3

Лm

9,6·10-9

1,28·10-8

2,24·10-8

Л2

4,8·10-10

8·10-10

1,12·10-9

Л3

3,12·10-9

3,17·10-9

5,98·10-9

Л4

1,6·10-9

3,2·10-9

2,88·10-9

Л5

1,68·10-10

5,63·10-10

2,53·10-10

Л6

1,66·10-9

1,37·10-9

2,90·10-9

Л7

5,64·10-10

8,14·10-10

8,46·10-10

Л8

2,06·10-10

6,22·10-10

3,09·10-10

Л9

7,54·10-9

1,01·10-8

1,17·10-8

Л10-11

1,03·10-9

7,16·10-10

2,40·10-9

Л12

4,98·10-10

8,25·10-10

1,16·10-9

Лр

8,34·10-9

1,06·10-8

1,79·10-8

Ла

1,69·10-8

2,21·10-8

2,96·10-8

Вр

0,105 Тл

0,109 Тл

0,137 Тл

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 [1]. 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)

Делись добром ;)