Разработка и исследование интегральных измерителей давлений

Появление интегральных датчиков, а именно объединение микромеханических чувствительных элементов и электронных схем в одну конструкцию, совершило научно-техническую революцию в современном приборостроении. Достигнуты значительные результаты в применении микроэлектронной технологии для изготовления таких сложных первичных преобразователей как маятники датчиков ускорений и мембраны для датчиков давлений. Совершенствовалась их электронная часть, а также алгоритмизация численных методов с применением микропроцессоров для обработки измерительной информации и коррекции характеристик приборов.

По мере того, как развивались технологии фотои рентгенолитографии, микросхемы становились все более дешевыми, и увеличивалась степень их интеграции. Таким образом создались объективные предпосылки для массового производства и падения рыночных цен на вычислительную технику. В результате, приблизительно в середине 80-х годов цены на компьютеры и выо тно сите льны е ж цены.

0,5.

1,5 1.

1—.

1990 годы сокоточные интегральные датчики первичной информации сравнялись, а уже к концу 80-х процессорные комплекты микро-ЭВМ стоили значительно дешевле (рис. 1) [40]. Очевидно, именно этим и объясняется всплеск интереса различных производителей систем автоматического регулирования и управления к относительно дешевым первичным измерителям. Недорогие системы на основе миниатюрных датчиков и микро-ЭВМ, их опрашивающих, алгоритмически компенсирующих погрешности измерений и выдающих сигналы управления и индикации, стали находить применение даже в тех областях техники, где раньше использование электронного оборудования считалось экономически невыгодным. Открылись новые рынки сбыта данной продукции, а невысокая скорость падения цен на датчиковую аппаратуру по сравнению с вычислительной техникой в 70 — 80-е годы обусловлена во многом экономическими причинами.

Из общего количества первичных преобразователей физических величин, производимых мировой промышленностью, наибольшая часть, около 25%, приходится на различные датчики давлений, около 15% - на датчики температуры, примерно столько же — на датчики параметров движения: линейных и угловых ускорений, скоростей и перемещений, около 10% - на измерители размеров, приблизительно 6% - преобразователи электрических и магнитных величин, все остальные виды приборов — значительно меньшие доли [16].

Интегральная микротехнология является перспективной в решении многих сложных вопросов приборостроения, однако, несмотря на значительные успехи в микроэлектронике, процесс создания и внедрения интегральных датчиков является весьма трудоемким и длительным. Перенос опыта микротехнологии из производства чисто электронных приборов в изготовление чувствительных элементов произошел со значительными изменениями и с принципиальным развитием. Так, например, топологический расчет фотошаблонов для изготовления упругих чувствительных элементов в виде мембран, маятников, струн и так далее имеет свои специфические особенности, заключающиеся в следующем. Выбор формы упругих подвесов, плоскостей и травителей тесно связан с получением оптимальных характеристик разрабатываемых микродатчиков. В готовых изделиях должны быть максимально устранены влияния дефектов пластин, связанных с предысторией механической обработки, неоднородностями состава и дислокациями. Температурные напряжения, связанные с локальными диффузиями примесей проводимости, выполняемыми в силу конструктивной необходимости, например, при изготовлении тензорезисторов, также должны быть максимально снижены.

Интегральные микродатчики в научно-техническом плане представляют собой сложные приборы, поскольку их разработка и исследования осуществляются на стыке многих наук: физики кристаллов, химии, теории электрического поля в полупроводниках, теории упругости анизотропных сред, аэрогидродинамики, схемотехники и других. Для датчиков давлений большие сложности при разработке связаны с чувствительностью к побочным параметрам окружающей среды, не подлежащим измерению, например, к температуре, вибрациям и влажности, а также с нестабильностью точностных характеристик первичного преобразователя во времени. Высокая стоимость теоретических исследований и необходимость проведения экспериментально-опытных работ делает интегральные датчики давлений пока все еще довольно дорогим товаром.

Актуальность работы. Характерной чертой мирового технологического развития конца XX века является выделение интегрально образующихся (комплексных) технологий, к которым относятся и технологии микромеханических систем. Как в нашей стране, так и за рубежом наблюдается устойчивый рост интереса к разработкам интегральных датчиков давлений, что связано с возможностью эффективного решения с их помощью ряда задач контроля и управления. Возможности измерительных приборов, таких как барометрические высотомеры, вариометры, гидродинамические расходомеры и т. д. всегда определялись характеристиками первичных преобразователей. Существующие конструкции интегральных тензорезисторных датчиков давлений не удовлетворяют современным требованиям из-за высокого уровня измерительных шумов, а также температурной и временной нестабильности метрологических характеристик. Данная работа проводилась в соответствии с тематикой научных исследований по договору предприятия ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» (г. Арзамас) с Департаментом авиационной промышленности Госкомоборонпрома РФ № 71 — 1003 Б на разработку емкостного датчика малых давлений от 08. 04. 1996 г., а также планом основных научных работ Арзамасского филиала НГТУ по проблеме «Разработка и исследование интегральных датчиков первичной информации» .

Цель работы. Целью диссертации является разработка и исследование интегральных датчиков давлений и их узлов, а также расчетных соотношений, совокупность которых имеет прикладное значение в развитии перспективного направления в отрасли интегрального приборостроения.

Задачи диссертационной работы:

1. Анализ физических процессов в интегральных чувствительных элементах (ЧЭ), интегральных электронных узлах и системах датчиков давлений с точки зрения современных требований к измерительным приборам с применением уравнений математической физики, теории автоматического управления, аэрогидродинамики, электротехники, теории упругости, компьютерного моделирования и т. д.

2. Проведение экспериментальных исследований статических характеристик интегральных датчиков давлений, результаты которых позволяют судить о точности и преимуществах интегральных конструкций перед традиционными схемами объемного монтажа.

3. Получение практического подтверждения теоретических результатов диссертации.

Объект исследования. Объектом исследования является интегральные датчики давлений, выполняемые на базе монокристаллического кремния:

• Кремниевые мембраны с жестким центром и без него.

• Преобразователи прогибов мембран в электрический сигнал.

• Приборы для измерения давлений.

• Микроэлектронные преобразователи и узлы, встраиваемые в датчики давлений.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы математического и физического моделирования, натурный эксперимент и синтез оптимальных решений, методы полупроводниковой схемотехники, теоретической механики, аэрогидродинамики, теории упругости и теории систем автоматического управления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель интегральной микромеханической мембраны в общем виде с учетом влияния дефектов и процесса демпфирования подвижного узла.

2. Получены теоретические соотношения для расчета микроэлектронных преобразователей, предназначенных для совместной работы с интегральными микромеханическими ЧЭ.

3. Разработаны методики расчета погрешности определения статической характеристики неидеальной интегральной мембраны и погрешности, обусловленной воздействием вибрации.

4. Разработан метод компенсации погрешностей датчика относительных давлений при изменении температуры окружающей среды.

5. Реализованы результаты расчета погрешностей на математической модели существующего интегрального измерителя давлений.

Практическая ценность работы:

1. Теоретические решения доведены до практического использования в расчетах характеристик и в оптимизации параметров разрабатываемых интегральных датчиков давлений.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде рекомендаций и расчетных соотношений для определения важнейших характеристик датчиков позволяют сократить сроки разработок новых интегральных измерителей давлений.

3. Разработанные методики определения статических характеристик интегральных датчиков давлений и их погрешностей с помощью испытательного оборудования позволяют получить основные метрологические параметры приборов.

4. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Арзамасском филиале НГТУ на кафедре «Авиационные приборы и устройства» по специальности 190 300.

Реализация в промышленности. Выводы, рекомендации и результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены на предприятии ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» (г. Арзамас), что подтверждается соответствующими документами.

Апробация работы. Диссертация и отдельные ее разделы обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и совещаниях:

• На региональной научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин», Н. Новгород, 1997, 1998 г. г.

• На межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика — 97», Москва, 1997 г.

• На межвузовской научно-технической конференции, Казань, 1997 г.

• На расширенном заседании кафедры «Авиационные приборы и устройства» Арзамасского филиала НГТУ в 1998 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, из них 3 статьи (1 — в печати), 5 — тезисы докладов на научно-технических конференциях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка литературы и содержит 110 страниц машинописного текста: иллюстраций — 42 (рисунки, схемы, графики), таблиц — 16, список литературы — 68 наименований.

Выводы.

1. При проведении лабораторных испытаний 3-х образцов ЧЭ датчика типа ДМД графики статических характеристик (п. 4.3, рис. 1, 3, 5) и относительных разностей прямого и обратного хода (п. 4.3, рис. 2, 4, 6) при различных температурах окружающей среды показали достаточно хорошую воспроизводимость результатов измерения давления: как правило, разность находилась в пределах 0 < 5 < 1% относительно диапазона изменения выходного сигнала по осредненной характеристике, что обусловлено как вариацией (гистерезисом) физических параметров прибора, так и неточностью считывания показаний со шкалы контрольного манометра (для ЧЭ № 3 при температуре + 40° С и + 60° С точки 0, 20, 40 и 60 мм рт. ст. — явный промах из-за невысокой точности поддержания температуры в испытательной термокамере: AT = ±3° С от заданного значения).

2. Статистическая обработка результатов измерений (п. 4.4), а именно аппроксимация характеристик приборов полиномом 1-ого порядка по методу наименьших квадратов (пакет программ Maple V), позволила точно оценить температурное изменение крутизны статической характеристики.

5К.

Т шах 1,97% у ЧЭ № 2 при Гд = +20-г+60° С — табл. 13) и полной ее нелинейности (относительно диапазона по линейной регрессии), значение которой у ЧЭ № 1 и 2 не превышает |г!тах|"1% (для ЧЭ № 3 — |г|тах|"1,92% в следствие промаха, указанного в п. 1 Выводов). Максимальное температурное изменение нулевой частоты датчика относительно нормальных условий приведено в таблице 15.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработаны конструкция и функциональная электрическая схема универсального датчика давлений, основанного на дифференциальном измерительном принципе. Дифференциально-логометрический алгоритм преобразования позволил исключить мультипликативные погрешности от температурного изменения диэлектрической проницаемости рабочего зазора и геометрических размеров электродов измерительных емкостей.

2. Разработана математическая модель кремниевой мембраны с учетом 3-х степеней свободы подвижного элемента в виде передаточной функции, позволяющей получить все статические и динамические характеристики чувствительного элемента.

3. Разработаны методы компенсации температурного изменения нулевого смещения для измерителя относительного давления с применением встроенного терморезистора и температурного изменения масштабного коэффициента за счет оптимального выбора отношения толщины неподвижного напыленного электрода к величине рабочего зазора емкостного преобразователя перемещений.

4. Разработана методика расчета вибропогрешностей мембранного первичного преобразователя, что позволит определить величину ошибки прибора до установки на объект с известными вибрационными характеристиками.

5. Разработана методика статистической обработки результатов испытаний датчиков давлений: аппроксимация экспериментальной статической характеристики методом наименьших квадратов с помощью математического пакета программ Maple V на ПЭВМ и расчет точностных параметров по полученной модели.

Суммируя приведенные в Заключении научные результаты, можно отметить, что цель диссертационных исследований достигнута.