Исследование и разработка способов минимизации температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков механических величин

Одним из наиболее мощных дестабилизирующих факторов в процессе эксплуатации датчиковой аппаратуры является температура. Диапазон изменения температуры может меняться в очень широких пределах в зависимости от объекта измерения: от нескольких градусов Цельсия при лабораторных исследованиях до нескольких сотен и даже тысяч градусов на двигателях внутреннего сгорания и силовых установках ракетной техники. При этом скорости изменения температуры имеют также очень широкий диапазон: от квазистатического (медленноменяющегося — суточное колебание температуры окружающей среды) до скачкообразного (термоудар при работе двигательных установок — до нескольких сотен градусов в секунду). Поэтому вопрос уменьшения погрешностей от воздействия температуры при разработке датчиковой аппаратуры является наиболее актуальным.

С развитием микроэлектроники все большее распространение получают в датчиках для измерения неэлектрических величин современные методы планарно-пленочной технологии изготовления. Это в частности касается и тензорезисторных датчиков, получивших в последнее время широкое распространение. По сравнению с наклеиваемыми проволочными, фольговыми или натянутыми тензорезисторами они имеют ряд существенных преимуществ. Это, прежде всего, относится к метрологическим и габаритно весовым характеристикам. В связи с тем, что в основную погрешность при передаче деформации от упругого элемента (УЭ) к тензорезистору вносит свою составляющую метод крепления последнего на УЭ, то любое механическое или клеевое крепление вносит значительные погрешности (достигающие 6070% от основной погрешности датчика) в передачу деформации.

Переход к металлопленочным технологиям изготовления измерительных схем датчиков позволяет исключить данные погрешности в связи с тем, что сцепление тензорезистора с УЭ в данном случае происходит на уровне атомарных связей и тем самым исключается механический или клеевой контакт между ними. Это позволяет в 3−5 раз увеличить точность измерения, значительно расширить для металлопленочных датчиков, по сравнению с наклеиваемыми тензорезисторами, температурный диапазон работы (от криогенных температур до 250−300 °С) и на порядок уменьшить временную нестабильность характеристик датчика. Однако переход к микроэлектронному изготовлению датчиков накладывает новые требования не только к разработке специальных технологических процессов по изготовлению и формированию измерительных схем, но и требует новых подходов к остальным конструктивным и технологическим решениям по изготовлению датчика, и, в частности, по минимизации его температурных погрешностей.

Причины возникновения температурных погрешностей тензорезистор-ных датчиков в стационарных температурных условиях эксплуатации и методы их уменьшения достаточно изучены и при изготовлении удается скомпенсировать эти погрешности до приемлемых величин. Широко известны работы в данной области Новицкого П. В., Осадчего Е. П., Рузги 3., Хорны О., Клоковой Н. П., Сгибов А. П., Черняева В. Н., Майселла Р., Гленга В., Ти-хоненкова В. А., Тихонова А. И. и др., в которых рассматриваются различные аспекты минимизации температурных погрешностей тензорезисторных датчиков.

Однако в относительных величинах в настоящее время эти погрешности достигают до 60% и более общей дополнительной погрешности от всех воздействующих факторов в процессе эксплуатации датчиковой аппаратуры. Кроме того, существующие в настоящее время способы компенсации не обеспечивают требуемой точности и, как результат, в процессе изготовления датчиковой аппаратуры по температурным характеристикам используется либо метод постепенного приближения (многократное проведение испытаний), либо селективная подборка по температурным характеристикам, что значительно усложняет технологию изготовления и удорожает продукцию. Поэтому минимизация температурных погрешностей является актуальной задачей, решение которой не только позволит расширить область применения тензорезисторных датчиков, но и значительно упростить технологию их изготовления и уменьшить их стоимость.

Еще менее изученным является вопрос минимизации температурных погрешностей при работе датчиковой аппаратуры в нестационарных тепловых режимах эксплуатации (в двигателях внутреннего сгорания, дизельных и компрессорных установках, реактивных двигателях летательных аппаратов, силовых установках ракетных двигателей и т. д.). Известно, что практически все датчики, разработанные на любом принципе преобразования, не исключая и тензорезисторный метод, обладают значительными (в некоторых случаях более 100%) температурными погрешностями при работе в нестационарных тепловых режимах. Поэтому вопрос выявления причин возникновения и разработка методов минимизации этих погрешностей является еще более актуальной задачей, чем решение этих вопросов для стационарного температурного режима эксплуатации датчиковой аппаратуры. Наиболее остро эта задача стоит при разработке датчиков давления, на которые кроме температуры окружающей среды действует и скачкообразно изменяющаяся во времени температура измеряемой среды (термоудар). Решение данного вопроса позволит исключить, используемые в настоящее время на изделиях, различные методы пассивной защиты датчиков (например, импульсные трубки, применяемые для защиты от термоудара), которые увеличивают габариты и веса датчиковой аппаратуры, снижают частотный диапазон измеряемого параметра, значительно увеличивают погрешность измерения, ограничивают диапазон механических воздействующих факторов и резко снижают надежность как датчиковой аппаратуры, так и всего изделия в целом.

Целью диссертационной работы является разработка способов минимизации температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков механических величин, как для стационарных, так и нестационарных температурных режимов эксплуатации. Эта цель достигается решением следующих основных задач.

1. Анализ механизмов возникновения температурных погрешностей ме-таллопленочных тензорезисторных датчиков в стационарном температурном режиме эксплуатации в зависимости от конструктивных, технологических и особенностей изготовления, настройки и эксплуатации.

2. Анализ существующих способов минимизации температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков (схемных, конструктивных и технологических) с целью определения направления дальнейших исследований по их минимизации при стационарных температурных режимах эксплуатации.

3. Разработка общих принципов повышения точности существующих способов компенсации температурных погрешностей тензорезисторных датчиков в стационарном температурном режиме эксплуатации.

4. Разработка способов компенсации температурных погрешностей тензорезисторных датчиков в стационарном температурном режиме эксплуатации с целью повышения технологичности в процессе их изготовления и настройки.

5. Разработка косвенных способов компенсации температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков в стационарном температурном режиме эксплуатации, в том числе с учетом взаимной корреляции компенсационных элементов для компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности.

6. Анализ механизмов возникновения температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков и существующих способов их компенсации в нестационарном температурном режиме эксплуатации.

7. Разработка экспериментального способа выявления механизма возникновения температурных погрешностей тензорезисторных датчиков в нестационарном температурном режиме эксплуатации.

8. Разработка способов минимизации температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков в нестационарном температурном режиме эксплуатации с целью использования при конструктивной реализации датчиков существующих типовых конструкций упругих элементов.

Исходя из изложенного, основными положениями, выносимыми на защиту являются:

— способы схемной компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности в стационарном температурном режиме эксплуатации металлопленочных тензорезисторных датчиков с целью обеспечения требуемой точности;

— способы схемной компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности в стационарном температурном режиме эксплуатации в зависимости от конструктивного исполнения металлопленочных тензорезисторных датчиков-:

— косвенные способы схемной компенсации температурной погрешности металлопленочных тензорезисторных датчиков в стационарном температурном режиме эксплуатации с учетом взаимной корреляции компенсационных элементов для компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности;

— способ выявления механизма возникновения температурных погрешностей тензорезисторных датчиков в нестационарном температурном режиме эксплуатации;

— способы минимизации температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков в нестационарном температурном режиме эксплуатации с целью использования при конструктивной реализации датчиков существующих типовых конструкций упругих элементов.

Решение поставленных задач позволит не только обеспечить требуемые точности в процессе измерения, но и значительно упростить как сам процесс конструирования металлопленочных тензорезисторных датчиков, так и технологию их изготовления и настройки в процессе производства. ю.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

1. Проведены исследования и анализ механизмов возникновения температурных погрешностей металлопленочных тензорезисторных датчиков (МТД) в стационарном температурном режиме эксплуатации и проанализированы существующие методы минимизации их температурных погрешностей. Проведенный анализ позволил произвести выбор направления дальнейшего исследования:

— повышение точности и технологичности методов схемной компенсации температурной погрешности для МТД, работающих в стационарном температурном режиме. разработка конструкций МТД с использованием методов конструктивной минимизации температурных погрешностей связанных с исключением погрешностей от неравномерности температурных полей и полей температурных деформаций.

— исследование температурных погрешностей и методов их минимизации при работе МТД в нестационарном тепловом режиме эксплуатации.

2. Проведены исследования и анализ существующих способов схемной минимизации аддитивной температурной погрешности МТД с точки зрения точности компенсации и технологичности проведения настройки. На основании проведенного анализа, с целью исключения недостатков существующих способов, был разработан ряд новых способов схемной компенсации аддитивной температурной погрешности (АТП):

— два способа схемной компенсации АТП, которые разработаны с использованием физических параметров элементов, с окончательной балансировкой мостовой цепи балансировочным резистором с ТКС равным ТКС балансируемого плеча;

— два способа схемной компенсации АТП, которые разработаны с использованием физических параметров элементов, входящих в состав датчика, с окончательной балансировкой мостовой цепи балансировочным резистором с расчетным значением ТКС;

— два способа компенсации дополнительной АТП от чувствительности датчика к моменту затяжки с использованием физических параметров элементов, входящих в состав датчика;

— два способа компенсации дополнительной АТП от чувствительности датчика к расширению газа, загерметизированного во внутренней полости, с использованием физических параметров элементов.

Проведенный анализ точности и технологичности в процессе настройки разработанных способов минимизации АТП показывает как эффективность их с точки зрения обеспечения требуемой точности компенсации, так и повышение технологичности в процессе температурной настройки датчиков по сравнению с существующими способами.

3. Проведены исследования и анализ существующих и разработанных способов схемной минимизации температурных погрешностей МТД с точки зрения точности компенсации и технологичности проведения настройки. С целью исключения недостатков существующих способов, был разработан ряд новых косвенных способов схемной компенсации аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей:

— два способа для компенсации АТП с одновременной компенсацией дополнительных АТП от чувствительности датчика к моменту затяжки и расширению газа, загерметизированного во внутренней полости, которые разработаны с использованием косвенных способов оценки через выходные сигналы датчика, снятые при различных значениях температур;

— два метода для компенсации мультипликативной температурной погрешности (МТП) с одновременной компенсацией дополнительной МТП от чувствительности датчика к моменту затяжки, которые разработаны с использованием косвенных способов оценки через выходные сигналы датчика, снятые при различных значениях температур;

Одновременно были разработаны косвенные способы минимизации дополнительных температурных погрешностей датчиков, возникающих в процессе настройки и эксплуатации.

Проведенный количественный анализ точности компенсации температурной погрешности позволяет сделать вывод, что предлагаемые способы компенсации обеспечивают требуемую точность компенсации. Кроме того, данные методы позволяют одновременно с компенсацией ТКЧ и технологического разброса ТКС датчика скомпенсировать температурную погрешность датчика от момента затяжки.

Кроме того выявлена жесткая взаимная корреляция между компенсационными элементами для компенсации одной из составляющих температурной погрешности на другую, что приводит к возникновению дополнительных погрешностей одного порядка с допустимым значением температурной погрешности. Для исключения указанных погрешностей предлагается два способа решения данного вопроса:

— разработан способ одновременной компенсации АТП и МТП с расчетом компенсационных элементов через физические параметры элементов, при котором учитывается взаимное влияние компенсационных элементов;

— разработан способ раздельной компенсации АТП и МТП, основанный на: ограничении номиналов компенсационных элементов, проведении компенсации МТП на датчике со скомпенсированной АТП и ограничении начального уровня выходного сигнала в пределах ±1% номинального выходного сигнала от измеряемого параметра. Перечисленные ограничения обеспечивают исключение влияния элементов для компенсации АТП на МТП и наоборот.

4. Проведены исследования и теоретическое обоснование причин возникновения АТП при работе металлопленочных тензорезисторных датчиков в нестационарных температурных режимах эксплуатации. На основании проведенных исследований разработан способ выявления механизма образования АТП в нестационарных температурных режимах эксплуатации.

5. Проведен анализ существующих способов минимизации АТП в нестационарных температурных режимах эксплуатации и разработаны три способа изготовления чувствительного элемента МТД работоспособных в нестационарных температурных режимах эксплуатации.

Разработанные способы изготовления чувствительных элементов, при конструировании датчиков, работоспособных в нестационарных температурных условиях эксплуатации, позволяют использовать практически любой тип УЭ, пригодный для микроэлектронного исполнения датчиков. На основании одного из предложенных способов компенсации АТП в нестационарном температурном режиме эксплуатации разработана конструкция МТД давления на колпачковом УЭ.

По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе получено 12 патентов на изобретения.

Обобщенная информация представлена на таблице 3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.