Разработка измерителя влажности (стр. 8 из 10)
Рис. 5.3 Конструкция конденсатора с двумя взаимно пересекающимися полосками
11) Определяем размеры верхней обкладки конденсатора. Для обкладок квадратной формы (Кф=1):
. (5.37)12) Определяем размеры нижней обкладки конденсатора с учётом допусков на перекрытие:
, (5.38)где q - размер перекрытия нижней и верхней обкладок конденсатора.
13) Вычисляем размеры диэлектрика:
, (5.39)где f - размер перекрытия нижней обкладки и диэлектрика.
14) Определяем площадь, занимаемую конденсатором:
. (5.40)5.2 Числовой расчёт плёночных элементов
Расчёт резисторов
Исходные данные: R1=R2=2,5 кОм, R3=15 кОм ; допустимое отклонение сопротивления резисторов от номинала gR = 10 %; мощности рассеяния Р = 0,125 Вт; максимальная рабочая температура Т = + 70 0С.
В соответствии с формулой (5.1) рассчитываем оптимальное сопротивление квадрата плёнки:
rsопт =
кОм.Из справочных данных [4,5] известен лишь материал кермет К-50С, удельное сопротивление которого близко к полученному значению (rs = 5000 Ом/) и подходит для изготовления плёночных резисторов с данными номиналами.
Однако кермет К-50С требует в качестве материала контактных площадок применение золота с подслоем хрома (нихрома). Применение данных материалов приводит к усложнению технологического процесса, увеличению общих затрат.
Руководствуясь этими соображениями, по справочным данным выбираем материал резистивной плёнки - хром с удельным сопротивлением rsопт = 500 Ом.
Определяем температурную погрешность материала плёнки по (5.4):
gRt =
.Допустимую погрешность коэффициента формы находим по (5.5):
gKф доп = 10 - 3 - 0,3 - 3 = 3,7 %.
Рассчитываем коэффициенты формы по (5.6) и определяем конструкцию резисторов:
Кф1 = Кф2 = 2500/500 = 5,
Кф3 = 15000/500 = 30.
Резисторы R1, R2 - прямоугольной формы, резистор R3 - типа "меандр".
Расчётную ширину резисторов находим по выражениям (5.7), (5.8), (5.9):
R1, R2: b точн =
R3: b точн =
С учётом округления принимаем:
b1 = b2=1,6 мм; b3 = 0,65 мм.
Расчёт резисторов прямоугольной формы.
Длина резисторов по (5.10):
l1 = l2 = 8 мм.
По формуле (5.11) определяем полную длину резистора с учётом перекрытия контактных площадок:
l полн1 = l полн2 = 8 + 0,4 = 8,4 мм.
Площадь резисторов по (5.12):
S1 = S2 = 13,44 мм2.
Расчёт резистора типа "меандр".
Определяем длину средней линии меандра по (5.17):
lср3 = 19,5 мм.
С учётом a=b по (5.18) находим шаг одного звена меандра:
t3 = 1,3 мм.
По (5.19) определяем оптимальное число звеньев меандра nопт :
nопт3 = 5.
Длину меандра определяем по (5.21):
L3 = 6,5 мм.
Ширина меандра по (5.22):
B3 = 3,25 мм.
По формуле (5.24) определяем длины прямолинейных участков:
lп3 = 1,3 мм.
Окончательные габаритные размеры резистора по (5.21) и (5.25):
L4 = 6,5 мм, B4 = 3,9 мм.
Габаритная площадь резистора (5.26):
S4 = 25,35 мм2.
Расчёт тонкоплёночных конденсаторов
Исходные данные: С1 = 120 пФ, С2 = С3 = 15 пФ; допустимое отклонение ёмкости от номинала gC1 = gC2 = gC3 = 10 %; рабочее напряжение Uраб = + 5 В; максимальная температура Тмакс = 70 oС; максимальная рабочая частота fмакс = 4000 кГц.
По справочным данным с учётом вышеизложенных рекомендаций и требований выбираем материал диэлектрика конденсаторов – моноокись кремния [4,5].
Определяем минимальную толщину диэлектрика из условия электрической прочности (5.27):
По (5.28) определяем удельную ёмкость конденсатора (пФ/см2):
.Согласно (5.29) оцениваем относительную температурную погрешность:
.По формуле (5.30) определяем допустимую погрешность активной площади конденсатора:
Минимальную удельную ёмкость для обеспечения точности изготовления наименьшего по номиналу конденсатора определяем по (5.31):
пФ/мм2.Определяем, какова должна быть удельная ёмкость наименьшего по номиналу конденсатора с учётом технологических возможностей изготовления по площади перекрытия обкладок и толщине диэлектрика. Задаём Sмин = 1 мм2. Тогда по (5.32):
пФ/мм2.Таким образом, получены три значения удельной ёмкости:
СOV = 1062 пФ/мм2; СOточн = 33,75 пФ/мм2; СOмин = 15 пФ/мм2.
Согласно условию (5.33), выбираем СОмин = 15 пФ/мм2.
Определяем, какая толщина диэлектрика соответствует выбранной удельной ёмкости СО :
см, что не соответствует технологии.Выберем СО = 33,75 пФ/мм2. Тогда
см, что также не соответствует тонкоплёночной технологии.Выберем СО = 120 пФ/мм2 (что соответствует второму наименьшему номиналу конденсаторов).
Тогда
см, что удовлетворяет тонкоплёночной технологии.Расчёт конденсатора С3 . Определим отношение С/С0 :
С3/С0 = 120/120 = 1 мм2.
Определяем коэффициент, учитывающий краевой эффект по (5.34), (5.35):
К3 = 1,24.
Площадь верхней обкладки (5.36):
S3 =
мм2.Форма обкладок конденсатора С3 - перекрещивающиеся полоски квадратной формы (Кф=1).
Размеры верхних обкладок по (5.37):
L3=B3 =
мм.Размеры нижних обкладок по (5.38):
Lн3=Bн3 = 1,11 мм.
Размеры диэлектрика (5.39):
Lд3=Bд3 = 1,11+1=2,11 мм.
Площади конденсаторов по диэлектрику (5.40): Sд3= 4,45 мм2.
Расчёт конденсаторов специальной формы
Расчёт конденсатора С1. Данный конденсатор имеет гребенчатую конструкцию (рис. 5.4), а его ёмкость определяется краевым эффектом [5].
Рис. 5.4 Конструкция гребенчатого конденсатора
Ёмкость гребенчатого конденсатора определяется формулой [5]:
, (5.41)где Сп - погонная ёмкость конденсатора, определяется по графику [5];
eср - средняя относительная диэлектрическая проницаемость, рассчитываемая как
(eп - относительная диэлектрическая проницаемость подложки, eпок - относительная диэлектрическая проницаемость защитного покрытия);l - длина средней линии, мм.
В качестве защитного покрытия используем фоторезист ФН-11, тогда:
eср = (9,1+6)/2 = 7,55.
Погонная ёмкость
Сп = 0,17 пФ/мм (при a=b1=b2).
Длина средней линии
l = 15/(
) = 11,69 мм.Задаём
a=b= 0,25 мм.
5.3 Размещение элементов
Из стандартных размеров подложек выберем подложку размером 60х48 мм2.
Сначала разместим периферийные контактные площадки [7]. Они должны находиться по краям платы, симметрично по противоположным сторонам. В данной работе ГИС имеет шестнадцать периферийных контактных площадки с расстоянием между соседними 3 мм. Размер контактных площадок 3х3 мм2. Вывод контактной площадки с номером один располагается в зоне ключа, которая находится в нижнем левом углу платы. Выводы микросхемы имеют следующее назначение:
1 вывод – 1-ый индикатор;
2 – 5, 9 - 12 выводы - индикаторы;
6 вывод – подключение кварца 4 МГц;
7 вывод - подключение кварца 4 МГц + выход кварцевого генератора;
8 вывод – "общий";
13 вывод – подключение кварца 10 МГц;
14 вывод – подключение кварца 10 МГц;
15 вывод – 2-ой индикатор;
16 вывод – питание (+5 В).
После размещения контактных площадок размещаем элементы так, чтобы получить минимальное число пересечений проводников (или его отсутствие) и минимальную суммарную длину проводников. Для этого сначала размещаем наиболее связанные между собой элементы, которые располагаем рядом друг с другом.
Совмещённая топология представлена на [2008-00-992.04.00].
5.4 Конструктивные меры защиты интегральных микросхем от воздействия дестабилизирующих факторов
Обеспечение защиты от коррозии
Одной из причин отказов тонкоплёночных проводников и микросхем в целом является недостаточная коррозионная стойкость металлов, используемых для формирования плёночных структур.