مقاله در مورد حسگرهای نیمه هادی در خودرو

بخشی از مقاله

مقدمه:
در اين تحقيق سعي بر ارائه ي مطالب متنوع و البته جديد و پيشرفته شده است و از كنجاندن مطالب ضعيف، اضافي، تكراري و قديمي پرهيز شده است. تلاش دانشجو بر اين بوده كه مطالب جديد و به روز باشند و سعي شده است كه نوآوريهاي جديد در سيستمهاي برقي خودرو در اين تحقيق گنجانده شود و بر همين اساس به جاي استفاده از كتابهاي موجود در بازار سعي بر

استفاده از اينترنت و مقاله هاي معتبر ترجمه شده بوده است اميدوارم مورد قبول شما استاد عزيز قرار بگيرد. ايضاً به عرض استاد گرامي برسانم چون بنده تكنولوژي دستژاه الكتريكي و كارگاه را همزمان واحدگيري نموده ام و با توجه به مرتبط بودن نمرات تكنولوژي و كارگاه اين تحقيق همزمان مربوط به تكنولوژي دستگاه هاي الكتريكي و كارگاه به شما ارائه مي گردد.

حسگرهاي نيمه هادي در خودرو
حسگرها انواع زيادي دارند كه به روشهاي گوناگون دسته بندي مي شوند. يكي از روشهاي دسته بندي بر اساس كميت مورد اندازه گيري است. بر اساس اين دسته بندي حسگرها به صورت حسگرهاي صوتي، مكانيكي، مغناطيسي و تشعشعي، حرارتي، شيميايي و زيست محيطي دسته بندي مي شوند. هر حسگر بسته به كاربرد خاصي كه دارد بايد تركيبي از مشخصه هاي حساسيت، پايداري، حد تفكيك، هسيترزيس، خطي بودن، طول عمر، آفست، محدودة اندازه گيري، سرعت پاسخ دهي، قابليت ساخت با مدار مجتمع و سازگاري با فرآيندهاي توليد مدارات مجتمع و سازگاري با فرآيندهاي توليد مدارات مجتمع و سازگاري با فرآيندهاي توليد مدارات مجتمع (IC) را كم و بيش داشته باشد.

يك حسگر خوب علاوه بر دارا بودن دسته اي از شرايط فوق بايد تحت تأثير تغييرات عواملي چوندما، شتاب، ارتعاش، ضربه، رطوبت، فشار محيط و مواد خورنده در محدودة باتلورانس مشخص عمل كند.
يكي از شاخه هاي كاربردي حسگرهاي نيمه هادي كاربردهاي صنعتي بوده و از رايجترين و پركاربردترين موارد در اين شاخه صنعت خودروسازي است. در خودروهاي جديد روز به روز تعداد

كنترل كننده ها در نتيجه حسگرها رو به فزوني و تكامل است تا كنترل دقيقتر و بهينه در سيستمهاي دروني خودرو حاكم شود. كنترل و اندازه گيري فشار روغن، دماي رادياتور و موتور، ميزان سوخت موجود، شتاب، سرعت، ميزان و درصد گازهاي خروجي، درصد تركيب هوا و سوخت و زمان مناسب جرقه زني شمعها از مواردي است كه در خودرو نياز به حسگر دارد.

در اين مقاله ابتدا كلياتي درباره حسگرهاي نيمه هادي بيان و سپس مبادرت به دسته بندي حسگرها بر اساس انرژيها و سيگنالهاي ورودي آنها مي كنيم. در ادامه مشخصه‌هاي يك حسگر و تاريخچه تكامل آنها ذكر مي شود. در خاتمه مثالي از كاربرد حسگرهاي نيمه هادي در سيستمهاي مختلف خودرو كه امروزه بسيار متداول شده است، بيان خواهيم كرد.

دسته بندي حسگرهاي نيمه هادي
لغت خسگر از كلمه لاتين "sentire" به معني درك كردن يا دريافتن گرفته شده است. يك حسگر، كميتي را حس و سيگنال يا انرژي مورد نظر را به سيگنال يا انرژي از نوع ديگر تبئيل مي كند.
حسگرهايي كه در آنها مواد نيمه هادي وظيفه اصلي را به عهده دارند، حسگرهاي نيمه هادي نام دارند. برخي اوقات ماده اي كه عملكرد مناسب را دارا است، عنصري نيمه هادي نيست. در اين موارد مي توان لايه اي از اين ماده را بر روي نيمه هادي رسوب داد. لذا از اين نظر داراي دو دسته حسگر هستيم: حسگرهاي روي نيمه هادي و حسگرهاي درون نيمه هادي. لازم به ذكر است كه مهمترين ماده در هر دو نوع مذكور سيليكن است.
حسگرهاي نيمه هادي به دليل كوچكي ابعاد تكنيكهاي

ي كه در ساخت آنها به كار مي‌رود از حسگرهاي ديگر متمايز هستند. اكثر حسگرهاي نيمه هادي با روشهاي كم و بيش مشابه با روشهاي به كار برده شده در ساخت مدارات مجتمع، توليد مي شوند. با استفاده از اين روش، توليد صدها يا هزارها حسگر يكسان به طور هم زمان انجام مي شود و در نتيجه نسبت عملكرد بر قيمت به طور محسوسي فزوني مي يابد. كوچكي ابعاد نه تنها به كاهش قيمت مي انجامد بلكه ما را قادر مي سازد تا حسگر و مدارات جانبي مورد نياز را بر روي يك تراشه به صورت مجتمع توليد كنيم چنين حسگرهايي حسگرهاي مجتمع نام دارند و چون بعضي اعمال روي همان تراشه كه حسگر بر روي آن قرار دارد انجام مي شود، اين حسگرها به

حسگرهاي هوشمند موسومند مزيت اين حسگرها، عملكرد بهتر آنها است.
در شكل (1) اندازه حسگرهاي نيمه هادي را با اجسام ديگر مورد مقايسه قرار داده ايم. با توجه به شكل ديده مي شود كه ابعاد اين حسگرها در حدود ميكرون است. به همين دليل گاهي به آنها زير حسگر گفته مي شود.

انواع سيگنالها و انرژي ها
وظيفه اصلي حسگرها تبديل انرژي كميت مورد نظر، به انرژي از نوعي ديگر است. بنابراين براي دسته بندي حسگرها به بررسي انواع انرژيها مي پردازيم. يك دسته بندي براي اكثر انرژيهاي مورد بحث به صورت زير است.
1-انرژي اتمي كه از نيروي بين هسته و الكترونها بحث مي كند.
2-انرژي الكتريكي در رابطه با ميدان الكتريكي، جريان و ولتاژ الكتريكي
3-انرژي گرانشي وابسته له جاذبه جسم و زمين
4-انرگي مغناطيسي در مورد ميدانهاي مغناطيسي

5-انرژي جرمي كه توسط انشتين به عنوان قسمتي از تئوري نسبيت بيان مي شود.
6-انرژي مكانيكي وابسته به حركت، جا به جايي و نيرو
7-انرژي مولكولي وابسته به انرژي پيوندي مولكولها
8-انرژي هسته اي درباره پيوند درون هسته ها
9-انرژي تابشي يا تشعشعي در رابطه با امواج الكترو مغناطيسي، امواج رادويي، ميكروويو، مادون قرمز، نور مرئي، ماوراي بنفش و اشعه هاي ايكس و گاما.
هريك از اين انرژيها داراي سيگنالي متناظر با خود است.(ما در موارد عملي با انرژيهاي هسته اي و جرمي كمتر سروكار داريم) انرژي هاي اتمي و مول

كولي متناظر با سيگنال شيميايي و انرگيهاي ثقلي و مكانيكي متناظر با سيگنال مكانيكي اند بنابراين داراي شش نوع سيگنال خواهيم بود. اين شش نوع سيگنال به قرار زير هستند:
1-سيگنال شيميايي
2-سيگنال الكتريكي
3-سيگنال معناطيسي
4-سيگنال مكانيكي
5-سيگنال تابشي يا تشعشعي
6-سيگنال حرارتي

سيستم اندازه گيري
شكل(2) وضعيت كلي يك سيستم اندازه گيري را نشان مي دهد. ابتدا كميت مورد نظر به حسگر اعمال شده و حسگر سيگنالي متناسب با آن كه اغلب الكتريكي است، توليد مي كند. سپس اين سيگنال در اصلاح كننده، پردازش و اصلاح مي شود ولي نوع آن تغيير نمي كند، اعمال ديگر از قبيل تقويت نيز در اين مرحله انجام مي شود. سرانجام ترانس ديوسري در خروجي، اين انرژي را به شكل مناسب جهت نمايش،ضبط و يا اعمال ديگر تبديل مي كند.

همان گونه كه در شكل(2) ديده مي شود، حسگر به منبع تغذيه متصل است. به اين نوع حسگرها كه كميت مورد نظر را بر روي انرژي منبعي كه به آن متصلند مدوله مي‌كنند، حسگرهاي مدوله كننده گوييم. در مقابل حسگرهايي وجود دارند كه نيازي به منبع تغذيه نداشته و انرژي لازمه را از انرژي كميت مورد نظر دريافت مي كنند.
بهترين توع سيگنال خروجي يك حسگر، سيگنال الكتريكي است. زيرا سيگنال الكتريكي داراي مزاياي خاصي است. برخي از اين مزايا در زير آمده است.

1-به علت ساختار الكتروني ماده و با انتخاب ماده اي مناسب براي حسگر، مي توان هر كميت غير الكتريكي را به سادگي به تغيير مشابهي به صورت الكتريكي تبديل كرد.
2-وجود مدارهاي الكترونيكي متنوع جهت پردازش سيگنالهاي الكتريكي از قبيل تقويت كننده، مدوله يا دمدوله كننده، فيلترها و اصلاح كننده ها
3-مناسب ترين سيگنال براي انتقال، سيگنال الكتريكي است.

4-وجود انواع روشها براي نمايش در خروجي و ضبط اطلاعات و تحريك عمل كننده

مشخصه هاي مهم يك حسگر
برخي از مشخصه هاي مهم يك حسگر به قرار زير است:
1-شرايط محيطي، كه ممكن است عملكرد حسگز را تحت تأثير قرار دهند. اهم اين شرايط عبارتند از شتاب، ارتعاش، فشار، رطوبت، ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي و اثر مواد خورنده، اين شرايط بايد به گونه اي باشند كه حسگر بتواند در محدوده خاص عمل كند.
2-خروجي تمام رنج(FSO): تفاضل جبري بين نقاط ابتدايي و انتهايي خروجي را گوسسم اين مقدار در شكل (3) آمده است.
3-هيستر زيس:بيشترين تفاوت در خروجي به ازاي مقداري خاص از ورودي، اين مقدار به صورت درصدي از FSO بيان مي شود و در شكل (4) ديده مي شود.
4-خطي بودن:ميزان تطابق منحني مشخصه حسگر با يك خط راست را گويند و مقدار آن برابر بيشترين فاصله اين دو از هم است كه بر حسب FSO بيان مي شود. منحني مشخصه يك حسگر خطي در شكل 3 آمده است.

5-محدوده كميت مورد سنجش: با توجه به شكل (3) محدوده اي را گوييم كه حسگر در آن محدوده به صورت مطلوب عمل مي كند.
6-آفست:مقدار خروجي حسگر با اعمال ورودي صفر، در دماي اتاق را گوييم كه در شكل (3) نشان داده شده است.
7-طول عمر:كمترين زماني كه حسگر به طور مداوم و در محدوده با تلورانس مطلوب به صورت صحيح عمل كند.
8-اضافه بار:اضافه بار يعني عملكرد حسگر تحت ورودي بزرگتر از حد يكي از مشخصه هاي مهم اضافه بار، زمان برگشت حسگر به حالت عادي است.
9-حد تفكيك:كمترين تغييرات كميت مورد سنجش كه قادر به توليد سيگنال قابل تشخيص در خروجي حسگر باشد.

10-حساسيت:نسبت تغييرات خروجي حسگر به تغييرات ورودي را گوييم كه در حقيقت شيب منحني مشخصه حسگر در هر نقطه است. مطلوب است حساسيت حسگر ثابت و تا حد امكان زياد باشد.
11-سرعت پاسخ دهي: زمان عكس العمل خروجي حسگر به تغييرات ورودي به صورت پله بيانگر سرعت پاسخ دهي است هرچه اين زمان كمتر باشد سرعت پاسخ دهي حسگر بيشتر است.

تاريخچة مراحل تكامل و پيشرفت حسگرها
آغاز كار با حسگرهاي نيمه هادي به سال 1874 كه Brawn يكسو كننده فلز- نيمه هادي را به كاربرد بر مي گردد. در حقيقت در اين حسگر ورودي ولتاژ است و خروجي مقاومت، يكسو كننده كه وابسته به پلاريته ولتاژ است. شروع جدي اسن مراحل از اختراع ترانزيستور در سال 1974 بود. بعدها اثر پيز و مقاومتي كشف شد ودر حسگرها مورد استفاده قرار گرفت.

نقش حساس ناخالصيها درون محلول الكتروليت و تأثير آنها بر كاركرد باتري
عمل سولفاته كردن صفحات مثبت و منفي درون باتري به چندين عامل مهم بستگي دارد كه از آن جمله اند.
1)ناخالصيهاي وارد شده به محلول الكتروليت از طريق آب معمولي نه آب مقطر.
2)ناخالصيهاي وارد شده به محلول الكتروليت از طريق اسيد سولفوريك با درجه خلوص كم.
3)ناخالصيهاي وارد شده به محلول الكتروليت از طريق سر باتريهاي فلزي به غير از سر باتري هاي سربي.

4)ناخالصيهاي وارد شده به محلول الكتروليت از طريق استفاده باتري به غير از استفاده از وازلين.
5)شارژ نكردن باتري به مدت طولاني
وارد كردن ناخالصيها به درون الكتروليت به هر طريق و يا در هر زمان چه در هنگام توليد باتري در كارخانه و چه در هنگام استفاده بسيار مضر است. اين مضرات شامل:

آب و يا آب مقطر
آب معمولي(شرب) داراي مواد وعدني و فلري است كه بعنوان ناخالصيها نبايد در درون محلول الكتروليت وارد شود و حتي مشاهده شده اين ناخالصيها به وسيله آب مقطر غير استاندارد(در باتري سازيها و عوامل فروش آب مقطر) به درون باتري وارد مي شود.

اسيد سولفوريك
اسيد سولفوريك استفاده شده در آب باتري (الكتروليت) با 98 درصد درجه خلوص باز هم حاوي آهن و فلزات ديگر است. بعنوان مثال تأثير آهن موجود در الكتروليت ساخته شده از اين نوع اسيد سولفوريك بر روي صفحات پراكسيد سربي بيشتر از صفحات سربي است. بدين معني كه با اسيد

سولفوريك ايجاد سولفات فريك كرده كه در نهايت باعث ايجاد پديده اي به نام «خوردگي موضعي» بر روي نقاط اتصال شبكه هاي سربي شده و در نتيجه موجب ايجاد اتصال كوتاه در درون باتري مي شود و نيز وجود يك واحد از پلاتينيم در ده ميليون واحد محلول الكتروليت باعث افزايش«خوردگي موضعي» تا ميزان 50 درصد مي شود و ديگر فلزات نظير مس و منگنز به حالت پراكسيد منگنزبر روي صفحات مثبت رسوب كرده و ايجاد «خوردگي موضعي» مي كند كه اين ناخالصي منگنزي از طريق استفاده از قرصهاي معمول باتري كه حاوي مقدار زيادي منگنز و ديگر فلزات Electro negative هستند، انجام مي شود.

سربا تريهاي فلزي غير سربي
با توجه به اين نكته كه اكثر سر باتريهاي موجود و مورد استفاده بر روي باتريها از آلياژهاي فلز مسي يعني برنزي و غيره هستند. لذا تأثير آنها جهت ايجاد«خوردگي موضعي» كمتر از پلاتينيم نبوده و وارد كردن اين نوع فلزات به وسيله نرمه اي كه حاصل اصطكاك سر باتريها با قطبهاي باتري است كه بدون محلول الكتروليت صورت مي گيرد(به صورت پراكنده بر روي باتريها)

گريس معمولي و وازلين
گريس معمولي حاوي مقدار زيادي ناخالصيها فلزي است يعني فلزات ELECTRO NEGATIVE كه از طريق قطبهاي باتري به درون محلول الكتروليت وارد مي شوند، لذا استفاده از گريس معمولي كه مصارف ديگري در خودرو دارد هرگز توصيه نمي‌شود و پيشنهاد مي شود كه از وازلين بعنوان تقريباً خالص ترين مواد چرب كننده بر روي قطبها استفاده شود.

به طور كلي ناخالصيها ايجاد كننده «خوردگي موضعي» هستند و با ايجاد قشر سولفات سرب و ماندگار شدن اين قشر بر روي صفحات به مدت طولاني رابطه مستقيم دارند و در نهايت موجب ازدياد اين لايه ها و خلاصه خفگي كامل صفحات درون باتري مي شوند. جهت عدم ايجاد اين قشر مضر مي توان از محلول VX-6 به ميزان 100
سي سي در كل محلول الكتروليت بعنوان بازدارنده (INHIBITOR)استفاده كرد.

شارژ باتري:
هنگام تخليه باتري(چه زماني كه مورد استفاده است و چه زماني كه استفاده نمي شود) كه همواره صورت مي گيرد، سولفات سرب بر روي صفحات مثبت و منفي به صورت لايه اي نازك ايجاد مي شود و اين عمل تا زماني ادامه مي يابد كه شارژ باتري شروع مي شود و در اين حالت است كه هر سه عنصر يا ماده فعال درون باتري به حالت اوليه بر مي گردد. حال با توجه به اين نكته كه

اگر باتري به مدت زيادي در حالت دشارژ باشد قشر سوفات سرب بر روي صفخات زياد شده باث خفگي صفحات مي‌شود و جالب اينكه دارنده باتري، باتري را سريع شارژ مي كند(البته با مشورت غلط باتري سازها)كه اين عمل نه تنها باعث شارژ باتري نمي شود بلكه باعث مي شود كه الكتروايت موجود در باتري گرم شده تا حدي كه (مدت شارژ كمتر از 3 ساعت) موجب قطعي در نقاط اتصال شبكه هاي سربي مي كند و در نهايت باعث ايگجاد اتصال كوتاه و يا از بين رفتن باتري مي شود. توصيه مي شود كه در چنين مواقعي از شارژ ضعيف آمپر 5/1 آمپر از شب تا صبح يعني 8 تا 12 ساعت استفاده شود.

پيشرفته ترين چراغ هاي جلو براي خودروهاي جديد
سالهاي سال كاسه چراغ هاي شلجمي شكل كه نور لامپ هاي دو رشته اي را به سطح جاده منعكس مي كردند براي چراغ هاي جلوي خودروها مورد استفاده قرار مي گرفت. در اواسط دهه 1960 لامپ هاي هالوژن با نور قوي تر و يكدست تر به تعداد بسيار زياد وارد بازار شد. امروزه سه

گونه عمده چراغ جلو وجود دارد كه عبارتند از:1-لامپ هاي H1 تك رشته اي براي نور بالا به همراه يك لامپ مجزا براي نور پايين، 2-لامپ هاي H3 با يك رشته جداگانه براي مه شكن، و 3-لامپ هاي دو رشته اي H4 كه نور بالا و نور پايين را با يك حباب تأمين مي كند. لامپ هاي بسيار جديد H7 هالوژن نيز براي جايگزيني با لامپ هاي H1 طراحي شده اند كه نور بيشتري دارند.
كاسه چراغ ها هم در اين ميان تغيير كرده اند. به جاي كاسه هايي كه براي تاباندن نور

به سمت پايين تنها از نيمه بالايي آنها استفاده مي شد، كاسه هاي جديدي به بازار آمده كه سطح داخلي آنها به بخشهاي مختلفي تقسيم شده است و هر يك از اين بخشها به نوبه خود يك كاسه چراغ كامل است و براي تأمين نور بالا و پايين به بهترين وجه ممكن طراحي شده است.
در كاسه چراغ هاي با فوكوس متغير(VF)، از تمام سطح كاسه استفاده مي شود و معمولاً داراي پنج سطح است كه در يكديگر ادعام شده اند. در حال حاضر فن آوري نويني نيز وجود دارد به نام «فن آوري سطح عددي همگن» با NNS كه كاسه چراغ در اين سيستم به تعداد زيادي مربع كه از لحاظ رياضي تعريف شده اند تقسيم شده است. هريك از اين مربع ها نور را از رشته نوراني لامپ

گرفته و با شيوه مخصوص خود به خارج از چراغ هدايت مي كند و در نتيجه الگوي نوردهي كاملي بر سطح جاده پديد مي آورد گونه ديگري از چراغ هاي جلو، نوع چند بيضوي (PES) است. در اين نوغ چراغها از گوي هاي شيشه اي شبيه به كره چشم، به همراه كاسه چراغ بيضي شكل استفاده مي شود ولي در اين نوع چراغها شيشه جلوي مجموعه چراغ يك عدسي از نوع پروژكتوري است.
قوي ترين لامپي كه در حال حاضر براي چراغ هاي خودرو وجود دارد عبارتست از لامپ هاي با قدرت

تخليه بالا (HID)، در اين نوع لامپ ها يك قوس الكتريكي با ولتاژ بالا در ميان دو الكترودي كه نزديك به هم در يك حباب پر شده از گاز گزنون واقع شده اند، برقرار مي شود. نور اين لامپ ها به ميزان دويست درصد بيشتر بوده و گورماي توليد شده توسط آنها نيز كمتر است. بنابراين مي توان از كاسه چراغ هاي كوچكتري در آنها استفاده كرد كه اين امر يعني كاهش اندازه چراغ براي طرحهاي امروزي خودروها بسيار حايز اهمست است.