CC BY
184
..................................................................
УДК 681.586
Е. А. Ломтев, П. Г. Михайлов, А. У. Аналиева, А. О. Сазонов
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ, МОДЕЛИ
И КОНСТРУКЦИИ
E. A. Lomtev, P. G. Mikhaylov, A. U. Analieva, A. O. Sazonov
MULTIFUNCTIONAL SENSORS OF PHYSICAL QUANTITIES.
PRINCIPLES, MODELS AND DESIGNS STUDIED THE PRINCIPLES OF MULTIFUNCTIONAL SENSORS (MFS)
PHYSICAL QUANTITIES
Аннотация. Исследованы принципы построения многофункциональных датчиков (МФД) физических величин (ФВ), основанных на различных физических эффектах. Определены критерии информационно-энергетической и технологической совместимости преобразования различных величин одним датчиком, выбраны базовые методы совмещенного преобразования неэлектрических величин. Доказано, что наиболее «гибкими» с точки зрения многообразия физических эффектов, которые могут быть использованы в МФД ФВ, являются микроэлектронные датчики (МЭД). МЭД могут использоваться для одновременного измерения таких параметров, как давление и температура, давление и вибрации, ускорения и скорости, ускорения и температуры. Особенно актуально наличие в одном датчике канала давления и температуры, так как эти параметры являются наиболее распространенными при измерениях на практике. При этом для многофункциональных МЭД может быть получена высокая селективность измерений при малых габаритах, высокой точности и малом энергопотреблении самих датчиков. Приведены структурные схемы многофункциональных датчиков с различными принципами преобразования. Приведены модели МФД ФВ. Предложена классификация физически совместимых принципов преобразования различных параметров. Показаны конкретные примеры реализации полупроводниковых и пьезоэлектрических МФД ФВ.
Abstract. (PQ), based on different physical effects. The criteria of information and energy and technological compatibility conversion of different values one sensor selected basic methods combined conversion of non-electrical quantities. Proven to be the most flexible from the point of view of the variety of physical effects that can be used in MFS PQare microelectronic sensors (MES). MES can be used for simultaneous measurement of parameters such as pressure and temperature, pressure and vibration, acceleration and velocity, acceleration and temperature. This is especially significant presence in one sensor channel pressure and temperature, because these settings are the most common measurements in practice. For multifunction MES can be obtained in high selectivity measurements with small dimensions, high accuracy and low power consumption sensors themselves. The structure charts multifunctional sensors with different principles of transformation. The shown models MFS PQ. The proposed classification is physically compatible principles of data conversion of various parameters. Shows concrete implementation examples of semiconductor and piezoelectric MFS PQ.
Ключевые слова: совмещенный, физическая величина, давление, температура, микроэлектронный, многофункциональный, принцип преобразования, селективность, точность.
Key words: combined, physical quantity, pressure, temperature, microelectronic, multifunction, the principle of transformation, selectivity, accuracy.
58
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
1. Общий подход к созданию МФД ФВ
При разработке и испытании различных систем и изделий, в том числе автомобилей, ракет-носителей, самолетов, военной техники и пр., основными контролируемыми параметрами (до 60...80 %) являются давление, температура и вибрация. Использование МФД, измеряющих одновременно несколько параметров, позволяет эффективно контролировать уровни акустических и вибрационных нагрузок, величину пульсаций давления и градиенты температурных полей, возникающих при испытаниях узлов и агрегатов летной и космической техники.
Применение МФД позволяет не только увеличить информативность измерений, но и уменьшить погрешности, возникающие от влияния внешней среды, так как дополнительная информация о значениях температуры и уровне вибраций может быть использована для автоматической коррекции погрешностей.
Из существующих датчиков наибольшими конструктивно-технологическими возможностями обладают МЭД, которые позволяют интегрировать в одном полупроводниковом чувствительном элементе (ПЧЭ) тензо- и термочувствительные элементы; фоточувствительные, магниточувствительные структуры [1, 2]. В многофункциональных пьезоэлектрических датчиках (ПЭД) возможно использование чувствительных слоев или отдельных пьезоэлементов, на которые воздействует дополнительный параметр (температура или вибрации). Возможные структуры многофункциональных датчиков приведены на рис. 1. Для ПЭД термочувствительный элемент (ТЧЭ) может быть объединен с рабочим пьезоэлементом (ПЭ) в монолитный пьезомодуль, а виброчувствительный пьезоэлемент (ВЧЭ) может быть выполнен в виде отдельного ПЭ, соединенного с инерционным грузом.
а) б)
в) г)
Рис. 1. Структурные модели МФД:
ТЭ - термоэлемент; СК - схема термокомпенсации; ПРЭ - пьезорезистивный элемент;
ПЧЭ - полупроводниковый чувствительный элемент; ТЧЭ - тензочувствительный элемент;
ВЧЭ - виброчувствительный пьезоэлемент; ПМ - пьезомодуль
Кроме того, для многофункциональных полупроводниковых и пьезоэлектрических датчиков могут быть и иные комбинации построения [3].
На рис. 2 приведены принципиальные схемы полупроводниковых и пьезоэлектрических датчиков с элементами, реагирующими на температуру и вибрацию. На рис. 2,а в качестве термочувствительного параметра использован ток питания тензомоста; на рис. 2,б - сопротивление перехода эмиттер-база («э-б») транзистора, включенного в обратном направлении; на рис. 2,в - сопротивление терморезистора.
На рис. 3 представлена структурная схема МФ ПЭД с монолитным (интегральным) пьезомодулем. Такой принцип интеграции в одном элементе функций преобразования различных параметров (давления, температуры и вибрации) позволяет создавать миниатюрные МФД с широкими возможностями [4].
2015,№2(12J
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Рис. 2. Принципиальные схемы многофункциональных датчиков:
РПЭ - рабочий пьезоэлемент; ТЧПЭ - термочувствительный пьезоэлемент
Рис. 3. Структурная модель многофункционального пьезодатчика с монолитным (интегральным) пьезомодулем:
ТЧПЭ - термочувствительный пьезоэлемент; М - мембрана
Благодаря использованию современных электронных компонентов, а также возможности применения микроэлектронных технологий, включая твердотельную, толстопленочную и пьезокерамическую, появилась реальная возможность интеграции в одном МФД различных сенсорных элементов и структур, а также схем обработки и нормализации сигналов [5, 6]. Такая интеграция позволяет создавать совмещенные интеллектуальные датчики для одновременного измерения в одной точке различных ФВ, тем самым сокращая номенклатуру и количество датчиков, устанавливаемых на объекте [7].
2. Проблемы совместимости преобразования различных ФВ
Возможность миниатюрного выполнения сенсорных элементов (СЭ) в объеме или на поверхности ПЧЭ МЭД, а также поличувствительность полупроводниковых функциональных материалов к различным факторам (температуре, деформациям, магнитным и электрическим полям, ионизирующим излучениям, световым и тепловым полям) позволяет совмещать преобразования различных параметров в одном МЭД. В то же время при практической реализации совмещенного преобразования разработчики сталкиваются с целым рядом трудностей конструктивного, метрологического и технологического плана, основные из которых следующие:
60
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
- выбор информативных принципов преобразования;
- взаимовлияние силовых и тепловых полей;
- разница в технологиях формирования термочувствительных элементов и силочувствительных элементов (СЧЭ) на одном ПЧЭ;
- селективность преобразования ФВ.
Так, при выборе принципов преобразования давления и температуры одним ПЧЭ МЭД необходимо руководствоваться основными принципами совместимости преобразований силовых и тепловых параметров:
1) минимальное взаимовлияние каналов давления и температуры;
2) конструктивная совместимость (размеры, материалы и пр.);
3) технологическая совместимость процессов формирования СЧЭ и ТЧЭ;
4) информационно-энергетическая совместимость каналов.
Возможные принципы преобразования, которые могут быть использованы в полупроводниковых МФД силовых параметров и температуры, приведены на рис. 4 [8, 9], на котором обозначены физические эффекты, происходящие в полупроводниковых структурах МЭД.
Рис. 4. Методы преобразования силовых параметров и температуры, используемые в полупроводниковых структурах МЭД
Поясним некоторые из них (которые в настоящее время используются для измерения силовых величин и температуры [10, 11]). При этом измерение деформаций в ПЧЭ, вызванных действием давления или силы, достаточно подробно представлено в литературе [7], поэтому в данной статье не рассматривается. Рассмотрим, применительно к ПЧЭ, более подробно физические эффекты, используемые при преобразовании температуры.
61
2015,№2(12J
Наиболее привлекательными с точки зрения технологической совместимости являются термочувствительные структуры (ТЧС) ПЧЭ, основанные на явлениях, происходящих в области контактных пар «полупроводник - полупроводник» и «полупроводник - металл». К таким явлениям можно отнести: возникновение контактной ЭДС; электроперенос; эффект Пельтье и др.
В ТЧС используются в основном эффекты, происходящие в p-n-переходах полупроводниковых элементов и структур (диодах, транзисторах). При этом термозависимыми параметрами могут быть: обратный и прямой токи, прямое и обратное напряжение.
В частности, для вольтамперной характеристики (ВАХ) p-n-перехода указанная зависимость может быть представлена [12]:
I = I п
exp(q
.U/
'kT
) -1
(1)
где I и I0 - соответственно прямой и обратный токи через p-n-переход; U - внешнее напряжение; Т - абсолютная температура перехода; к - постоянная Больцмана; qe - заряд электрона. Логарифмируя (1) и определяя прямое падение напряжения на переходе, получают
U = (kT/qe)-ln(I/Io + 1). (2)
В случае, когда Io << I, последнее выражение упрощается:
U = (kT/qe)ln(I/Io). (3)
Дифференцируя (3) по температуре, получают выражение для термочувствительности прямого напряжения на p-n-переходе (ТКН):
dU/dT = -(1/T)-(Eq/qe - U),
(4)
где Eq - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала (кремния), зависящая от уровня легирования.
Следует отметить, что ТКН слабо зависит от температуры, так как с ростом температуры одновременно уменьшается напряжение на p-n-переходе.
Подставляя в (4) значения Т = 300 К, U = (0,5...0,8) В и справочные значения для Eq кремния и qe, получаем практическое значение TKH перехода:
TKH = «-(1.5...2) ^.
dT К
(5)
Знак минус в (5) означает, что с увеличением температуры напряжение на p-n-переходе уменьшается, что соответствует отрицательному ТКН.
При использовании транзистора в диодном включении получают двухполюсник, термозависимым параметром которого является прямой или обратный ток. Так, например, для перехода «э-к» термозависимым параметром является IK0, и термохарактеристика транзистора в данном случае подобна характеристике обратно включенного диода, но с более высокой термочувствительностью (рис. 5,а).
Рис. 5. Графические математические модели термохарактеристик транзисторных структур: а - обратного тока транзистора; б - напряжения перехода «к-э» и «э-б»
62
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
Как показали исследования, наилучшим из рассмотренных термометрических параметров является зависимость ^Б_з = f (T) - рис. 5,б. Так, в частности, у кремниевых транзисторов значение временной нестабильности UE_3 = f (T) может быть не более 0,001 К/год.
При последовательном включении нескольких р-и-переходов транзисторных структур величина термометрического параметра (U3-Bx) увеличивается по сравнению с одиночным переходом (рис. 6). Так, для ТЧЭ, изготовленного на основе кристалла транзисторной матрицы 198НТ3, была получена суммарная термочувствительность:
ST = AU 3 _Б£ = -(10,5*11,5) — . (6)
т at °С
При I3 = 100 мкА нелинейность термохарактеристики в диапазоне температур 30...90 °С составила менее 0,8...1,3 %, а временная стабильность - 0,03 °С/год.
J3
о и о
и3-Б
Рис. 6. Схема объединения одиночных термочувствительных р-и-переходов
В процессе проведения НИОКР был разработан ряд Ч3 и ИМ для совмещенных датчиков давления и температуры, один из которых на основе термо- и пьезорезисторов показан на рис. 7.
б)
Рис. 7. ПЧЭ МФД давления и температуры: а - топология; б - внешний вид
63
2015,№2(12J
Кроме того, был разработан и испытан совмещенный малогабаритный датчик давления и температуры, предназначенный для автомобильной техники [13, 14].
Конструктивно датчик состоит из полупроводникового чувствительного элемента (ПЧЭ), компенсационной платы (КП), стеклокапилляра, по которому подводится измеряемая среда (воздух или жидкость), электрических выводов и корпуса (рис. 8). На ПЧЭ сформированы диффузионные пьезорезисторы и терморезисторы.
Рис. 8. Микроэлектронный совмещенный датчик давления и температуры:
1 - приемный штуцер; 2 - ПЧЭ; 3 - КП; 4а - корпус; 4б - крышка; 5 - внешние электрические выводы;
6 - внутренние электрические выводы; 7 - полость; 8 - терморезистор (Ra);
9 - пьезорезистор (R1 - R4); Rh1 - Rx5 - компенсационные резисторы
Список литературы
1. Михайлов, П. Г. Многофункциональные пьезоэлектрические датчики для ракетнокосмической техники / П. Г. Михайлов, А. А. Харлан // Авиакосмическое приборостроение. - 2008. - № 8. - С. 2-5.
2. Михайлов, П. Г. Принципы построения датчиков с расширенными функциональными возможностями / П. Г. Михайлов, А. В. Варламов, В. П. Михайлова // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2009. - № 2. - С. 48-50.
64
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
Джексон, Р. Г. Новейшие датчики : справочник : пер. с англ. / Р. Г. Джексон. - М. : Техносфера, 2007. - 380 с.
Михайлов, П. Г. Цифровой датчик давления и температуры / П. Г. Михайлов, Д. А. Сергеев, В. П. Михайлова // Современные информационные технологии : сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Вып. 10. - Пенза : ПГТА, 2009. - С. 15-17. Микроэлектроника и прецизионные датчики. Обзор фирмы Honеywell. - URL: http://www.favorit.ru/files/catalog/Honeywell/Honeywellmicroelectronicsoverview.pdf ГОСТ Р 8.673-2009 ГСИ. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения. - М., 2009.
Датчики теплофизических и механических параметров : справочник : в 2 т. / под ред. Е. Е. Багдатьева, А. В. Гориша, Я. В. Малкова. - М. : ИПРЖР, 1998.
Михайлов, П. Г. Информационные параметры высокотемпературных чувствительных элементов на основе поликремниевых пленок / П. Г. Михайлов, Г. В. Петрунин, Д. А. Сергеев // Университетское образование : сб. материалов XIV Междунар. науч.-метод. конф. - Пенза : ПДЗ, 2010. - С. 498-500.
Михайлов, П. Г. Механические и тепловые деформации в микромеханических структурах сенсорных элементов / П. Г. Михайлов, К. А. Ожикенов // Известия Национальной академии наук Республики Казахстан. Серия «Физико-математическая». - 2014. -№ 4. - С. 163-168.
10. Проспекты и каталоги фирм: «PCB Piesotronics, JNG», «Sunstrand Data Control», «DYTRAN», «Hans List», «Kistler Instrumente, AG», «Vibro-meter», «Millard LTD», «Motorolla JNC», «AVL», «Kulite», «Erich Brosa».
11. Михайлов, П. Г. Микроэлектронные датчики. Разработка и проектирование / П. Г. Михайлов, А. В. Варламов // Датчики и системы. - 2007. - № 8. - С. 23-26.
12. Викулин, Н. М. Физика полупроводниковых приборов / Н. М. Викулин, В. И. Ста-феев. - М. : Радио и связь, 1990. - 264 с.
13. Михайлов, П. Г. Микроэлектронный датчик давления и температуры / П. Г. Михайлов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2003. - № 11. - С. 29-31.
14. Михайлов, П. Г. Экспериментальное исследование совмещенного датчика давления и температуры / П. Г. Михайлов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2003. - № 12. - С. 27-29.
Ломтев Евгений Александрович
доктор технических наук, профессор,
кафедра информационно-измерительной техники
и метрологии,
Пензенский государственный университет E-mail: rectorat@pnzga.ru
Михайлов Петр Григорьевич
доктор технических наук, профессор, кафедра прикладной и бизнес информатики, Пензенский институт технологий и бизнеса Московского государственного университета технологий и управления им. К. Г. Разумовского (Пензенский филиал)
E-mail: pit_mix@mail.ru
Аналиева Ажар Уразбаевна
Колледж экономики и информационных технологий при Казахстанском университете инновационных и телекоммуникационных систем, г. Уральск, Республика Казахстан
Lomtev Evgeniy Aleksandrovich
doctor of technical sciences, professor,
sub-department of information
and measuring equipment and metrology,
Penza State University
Mikhaylov Petr Grigor'evich
doctor of technical sciences, professor, sub-department of applied and business ofinformatics, Penza Institute of Technologies and Business of Moscow State University of Technology and Management named after K G. Razumovskiy (Penza branch)
Analieva Azhar Urazbaevna
College of Economy and Information Technology of Kazakhstan University of Innovation and telecommunication systems,
Uralsk, Republic of Kazakhstan
65
Сазонов Александр Олегович
капитан, вч. 36360,
Московская обл., Щелкововский р-н.
2015;№2(_12)....................
Sazonov Aleksandr Olegovich
captain, m/u 36360,
Moscow region., Schelkovovsky
area
УДК 681.586 Ломтев, Е. А.
Многофункциональные датчики физических величин. Принципы построения, модели и конструкции / Е. А. Ломтев, П. Г. Михайлов, А. У. Аналиева, А. О. Сазонов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2015. - № 2 (12). - С. 57-65.
