Painetta kestävä elektroniikka: vakio-osilla, öljykylvyssä

Abstract

Työn tarkoituksena oli löytää kirjallisuudesta keinoja elektroniikan vakiokomponenttien paineenkeston arvioimiseksi. Tätä tietoa ei ole kootusti saatavilla. Onnistuminen mahdollistaisi edullisempien ja helpommin saatavilla olevien komponenttien käyttämisen paineenalaisissa osissa vedenalaisissa laitteissa sekä hydrauliikassa. Tarkoituksena ei ollut saada täyttä varmuutta kaikkien komponenttien toiminnasta paineen alaisena vaan selvittää kannattaako tietyn laitteen paineenkestävyyttä tutkia tarkemmin. Valmistusmateriaalien vaikutusta paineenkestoon tutkittiin mittojen muutoksen kautta. Välineenä käytettiin perinteisen lujuuslaskennan keinoja. Lähtöarvot valittiin puristus- ja kimmokertoimista niiden helpon saatavuuden vuoksi sekä tavoitepaineesta. Rasituksesta aiheutuvien muutosten kautta voidaan sulkea, liian suurten erojen avulla, pois joitakin materiaalipareja. Ideaalisen sekä tavanomaisen muodon eroja paineenalaisena vertailtiin yksinkertaisen FEM-analyysin avulla. Tarkasteltavana oli terässeinäinen 4 mm3 säiliö. Tällä analyysillä pyrittiin selkeyttämään käsitystä muodon tärkeydestä kaasutilallisten kappaleiden kestävyyteen. Havaittiin että melko pienellä muodonmuutoksella paineenkestävyys voi parantua tai heikentyä selvästi. Aineiden sähköisten ominaisuuksien muutoksia paineessa tarkasteltiin eri parametrien kannalta. Termisen diffuusiokertoimen vaikutus toimintaan havaittiin todennäköisesti merkityksettömäksi. Resistiivisyyden muutos on mahdollista laskea komponenteilla joiden aineen liuskavakio tunnetaan. Laskelmien perusteella tarkemmissa mittauksissa resistanssi voi muuttua liikaa piirin toiminnan kannalta. Kapasitanssiin paineella on vaikutusta mutta tarvittavia lähtötietoja muutoksen laskemiseksi ei löydetty. Löydettyjen tietojen perusteella kapasitanssi kuitenkin kasvaa sekä eristeen läpilyöntikestävyys heikkenee. Puolijohteiden toimintaan paine vaikuttaa mutta toiminnan arvioimiseksi ei löydetty tarvittavan yksinkertaisia keinoja. Vastaavasti vaikutus induktanssiin havaittiin yleensä merkityksettömäksi. Kvartsikiteen jäykkyyden havaittiin kasvavan paineessa, jolloin sen ominaisresonanssitaajuus myös kasvaa. Ilmiön suuruuden arvioimiseksi ei myöskään löydetty tarvittavaa määrää tietoa. Komponenttien paineenkestävyydestä etsittiin mainintoja erilaisista julkaisuista. Tietoa oli saatavilla rajoitetusti mutta eri lähteitä yhdistämällä oli mahdollista löytää komponenttityyppejä jotka toimivat paineenalaisina. Varsinaisia maksimipaineita ei saatu määritettyä vaikkakin vastukset, kelat ja puolijohteet havaittiin parhaiten painetta kestäviksi. Komponenttiryhmistä kondensaattorien ja kiteiden paineenkestävyys vaihtelee eniten ryhmänsä sisällä ja niiden käyttö vaatii tarkempaa perehtymistä tutkittavaan komponenttiin. Lopputuloksena voidaan kuitenkin todeta, että edellytykset monimutkaisenkin elektronisen laitteen toiminnalle paineenalaisena ovat olemassa. Tämä saattaa vaatia tarkkuutta suunnittelussa. Toisaalta monet yleiset komponentit ovat painetta kestäviä ja on mahdollista valmistaa luonnostaan jonkin verran painetta kestävä laite jopa vahingossa.