CC BY
36
doi: 10.24411/2409-5419-2018-10225
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НАПЫЛЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ МОНОСУЛЬФИДА САМАРИЯ
новичков
Вадим Михайлович1 МИШИН
Юрий Николаевич2
ФИЛИНОВ Никита Ильич3
Сведения об авторах:
1к.т.н., доцент, доцент кафедры 305 Московского авиационного института (национального исследовательского университета), г. Москва, Россия, v13217@ya.ru
2старший преподаватель кафедры 305 Московского авиационного института (национального исследовательского университета), г. Москва, Россия, geo375@rambler.ru
3аспирант кафедры 305 Московского авиационного института (национального исследовательского университета), г. Москва, Россия, nikitayo18@gmail.com
АННОТАЦИЯ
Повышение надёжности конструкции и ресурса летательных аппаратов требует создания тензорезисторов с новыми качествами. Подобные тензорезисторы необходимы для измерения напряженно-деформационных состояний элементов конструкций при наземных и лётных испытаниях. В этом случае от тензорезисторов требуется стабильность параметров и хорошие метрологические характеристики с малым разбросом в партии. Это важно при их подключении к различным автоматическим регистрирующим устройствам без дополнительной сложной настройки, что позволит обеспечить тензометрическим средствам измерения высокую точность и стабильность. Также для обеспечения возможности изучения напряжённо-деформационных полей в малоразмерных конструкциях важно, чтобы тензорезисторы имели малый размер. Это полезно при отработке конструкций таких изделий, как, например, малогабаритные космические летательные аппараты. Этим требованиям удовлетворяют тензорезисторы из моносульфида самария, но без автоматизированной системы управления технологическим процессом изготовления партий таких тензорезисторов получается, как большой разброс их характеристик в партии, так и ещё больший разброс от партии к партии. Это сильно уменьшает положительный эффект от применения нового материала - моносульфида самария, который обладает высокой тензочувствительностью, теоретически доказанной радиационной стойкостью и предсказуемой температурной зависимостью. Для получения стабильного результата при производстве таких тензорезисторов целесообразно использовать специальную автоматизированную систему управления процессом напыления. Предлагаемая автоматизированная система управления технологическим процессом позволяет учитывать, поддерживать постоянными и плавно регулировать параметры установки вакуумного напыления, ранее недоступные при её функционировании. Для этого в обратный контур управления включены специальные регулировочные элементы, которые позволяют выбрать наиболее рациональные технологические режимы, и применяется специальный технологический контроль режима работы вакуумного насоса, что облегчает получение требуемых характеристик в партиях новых тензорезисторов из моносульфида самария.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: тензорезистор; моносульфид самария; вакуумное напыление; автоматизация технологического процесса; повышение качества; автоматизированная система управления.
Для цитирования: Новичков В.М., Мишин Ю.Н., Филинов Н.И. Автоматизированная система управления процессом напыления тензорезисторов на основе моносульфида самария // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2019. Т. 11. № 1. С. 58-65. Сок 10.24411/2409-5419-2018-10225
-2019, H&ES RESEARCH • INFORMATICS, COMPUTER ENGINEERING AND CONTROL
В настоящее время в машиностроении особое внимание уделяется повышению функциональной надёжности сложных технических систем [1, 2]. Также большое внимание уделяется методам синтеза надёжных отказоустойчивых систем [3], с помощью которых можно создавать надёжные автоматизированные системы. При этом в условиях роста требований к повышению надёжности конструкций и ресурса космических летательных аппаратов (ЛА), при использовании в элементах конструкции новых материалов и оригинальных силовых схем, актуальной является задача создания новых средств измерения напряжённо-деформационного состояния (НДС) с улучшенными характеристиками для экспериментальной отработки при статических и динамических термосиловых нагруже-ниях [4]. В то же время жёсткие условия эксплуатации, априорно неопределённые по вектору и модулю силовые воздействия, особенно проявляющиеся в условиях космоса, при требованиях минимизации массы и уменьшения габаритов требуют детального изучения поведения конструкции ЛА при механических испытаниях [5-8].
Необходимость изучения НДС элементов конструкций космических ЛА связана с тем, что в процессе эксплуатации они могут подвергаться влиянию циклических температурных воздействий, вакуума и ионизирующего и радиационного излучения, что способно привести к изменению механических характеристик материалов, из которых они сделаны. В результате их НДС меняется, а это уменьшает их функциональную надёжность [1]. Это связано с тем, что большие перепады температуры между элементами конструкции автоматических космических ЛА и её неравномерное распределение способно привести к их разрушению. Для исключения такой ситуации элементы конструкций космических ЛА, как и других изделий авиакосмической промышленности, перед вводом в эксплуатацию испытываются на прочность.
Изучение НДС этих элементов проводится с помощью специальной измерительной аппаратуры, где в качестве датчиков используются тензорезисторы. Для измерения больших деформаций (е = 5.. .10%) часто применяют проволочные тензорезисторы, но такие деформации редко встречаются при штатной эксплуатации космических ЛА. Гораздо чаще встречаются небольшие деформации (е = 0,005.2%), для измерения которых применяются фольговые и плёночные тензорезисторы, причём для измерения деформаций е < 0,1% удобно использовать полупроводниковые тензорезисторы. При этом напряжение питания измерительного резистивного моста ограничивается допустимой мощностью рассеивания в тензорези-сторе и лежит в диапазоне 2.12 В. Это приводит к тому, что рабочее относительное сопротивление тензорезистора изменяется в малом диапазоне, что, как следствие, приводит к сравнительно небольшому напряжению на выходе
измерительного моста. Например, при деформации е = 1% сигнал на выходе измерительного моста, составленного из проволочных тензорезисторов, будет не более 10.15 мВ. Занимая промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, полупроводники при комнатной температуре (293К) имеют диапазон удельного сопротивления между 10-4 и 1010 Ом-см. В полупроводниковых тензорези-сторах в качестве чувствительного элемента используют монокристаллический полупроводник толщиной 20.50 мкм, шириной до 0,5 мм и длиной 2.12 мм [9].
Такие полупроводниковые материалы, как германий и кремний, хорошо изучены и наиболее пригодны для изготовления тензорезисторов. Тем не менее, их также изготавливают и из других материалов [10]. В зависимости от свойств полупроводниковых материалов можно в широких пределах изменять механические и электрические характеристики тензорезисторов. Одни и те же геометрические характеристики тензорезисторов в зависимости от концентрации примесей в кристалле могут соответствовать начальному сопротивлению тензорезисторов от десятков Ом до десятков кОм. Важно заметить, что коэффициент тензочувствительности также зависит от вида и количества этих примесей и изменяется от минус 100 до +200 и более.
Высокий коэффициент тензочувствительности полупроводниковых тензорезисторов позволяет получать на выходе мостовой измерительной схемы сигнал порядка нескольких Вольт с мощностью в сотни мВт, что иногда позволяет исключить применение сложных и дорогих аналоговых усилителей. Это важно при изучении напряжённо-деформационных полей при прогнозировании ресурса элементов конструкций малого размера [11], когда для повышения достоверности важно увеличивать количество используемых тензорезисторов на единицу площади поверхности исследуемого элемента.
Основные особенности напыленных тензорезисто-ров состоят в следующем:
- исключительно малые толщины изолирующего слоя и чувствительного элемента (ЧЭ) с требованием очень малой площади поверхности для монтажа;
- за один рабочий цикл можно одновременно напылять с высокой экономичностью большое количество тен-зорезисторов (более 300) при условии, что они достаточно малы;
- техника и технология напыления позволяет наносить полные мостовые схемы, которые могут иметь сравнительно высокое омическое сопротивление;
- напыление необходимо проводить в вакууме (давление менее 10-6 мм рт.ст.) или в среде инертного газа.
После проведения эксперимента по известным методикам [12] и обработки полученных данных по общепринятым правилам [13] было определено, что наилучшим
• НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т 11 № 1-2019 . _ РМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
^^ ^ РУ
технологическим процессом получения тонкопленочных структур на основе моносульфида самария является их нанесение в вакууме взрывным методом [9]. Для оценки стабильности параметров получаемых таким образом тонких плёнок, по типовым методикам [14] проводилось изучение температурных режимов их функционирования в качестве тензочувствительного слоя.
Желаемое качество получения тонких плёнок из моносульфида самария [15] предъявляет ряд общих требований к вакуумному оборудованию для их нанесения на подложку. К этим требованиям относятся:
- предельный вакуум в рабочей камере не хуже 10-6...10-7 мм рт.ст.;
- рабочий вакуум мм рт.ст., поддерживаемый в течение всего процесса нанесения тонких пленок;
- скорость откачки газа (воздуха) не менее 5.10 л/с на 1 л рабочего объёма;
- прогрев подложки до 400.500 °C с высокой точностью и стабильностью поддержания температуры не хуже ±5 °C;
- безотказность работы в течение всего вакуумного цикла.
Выдерживание режимов нанесения тонких плёнок в этих диапазонах позволяет изготавливать из них тензо-резисторы с желаемым качеством [16, 17].
Установки для термовакуумного напыления содержат камеру напыления с подколпачным устройством, вакуумную систему с насосами предварительного и окон-
чательного вакуума и электрическую часть (устройства и элементы автоматики, контрольно-измерительные приборы и необходимые блоки питания).
Для отработки технологии изготовления опытных образцов тензорезисторов была использована специально модернизированная установка вакуумного напыления УВН-74П2 (рис. 1), которая предназначена для осаждения тонких плёнок в условиях серийного производства методом термического осаждения с применением резистивно-го нагрева. Её характеристики сведены в таблицу.
Таблица
Технические характеристики установки УВН-74П2
Технические характеристики Значения
Производительность 12 подложек/цикл
Предельный вакуум в рабочей камере 510-7 мм рт.ст.
Размеры рабочей камеры 0500x600 мм
Питание электрода ионной очистки: ток напряжение (постоянное) 0.165 мА 3 кВ±10%
Число позиций испарения 3
Размеры подложки 60x48x0,6 мм
Количество подложек с масками на карусели 12
Точность системы совмещения подложки с маской при температуре 20°С 50 мкм
Максимальная температура нагрева подложек 400°С
Точность поддержания температуры подложек в пределах 100.400°С 1,5%
Общий вес 2100 кг
Рис. 1. Общий вид специально модернизированной установки УВН-74П2
Схема (рис. 2) взрывного испарения для получения пленок из моносульфида самария иллюстрирует метод микродозирования (дискретное или взрывное испарения) в вакууме. Порошок, представляющий собой исходное вещество, получаемое дроблением объемных образцов, помещается в дозатор 6. В процессе напыления под действием вибрации с частотой в несколько десятков Гц этот порошок постепенно (за 30.60 с) высыпается на испаритель 7. Испаритель, нагретый проходящим током (порядка 150А) до 2500.2700 °С, представляет собой танталовую (вольфрамовую) лодочку. Каждая из частиц исходного вещества, дискретно и свободно падающих под действием вибрации на испаритель, практически мгновенно превращаются в пар. Этот пар осаждается на подложке 4, которая нагревается до температуры 300.600 °С. Подложка
' Ш
-2019, H&ES RESEARCH • INFORMATICS, COMPUTER ENGINEERING AND CONTROL
4 вместе с маской 5 устанавливается на держатель 3 и нагревается вместе с ним резистивным или оптическим нагревателем 2. Напыление осуществляется в вакуумном колпаке 1 с давлением внутри него, равным 10-4 Па (около 7,5-10-7 мм рт.ст.).
Моносульфид самария (химическая формула: SmS) — это тугоплавкий (температура плавления 2400 °С) материал, трудность получения которого усугубляется тем, что существует еще два соединения самария с серой и (Sm3S4). Особенность моносульфида самария состоит в том, что при обычном термическом испарении на подложку как правило осаждается поликристаллическая пленка с избытком серы или с избытком самария: стехи-ометрический состав распыляемого материала получить довольно сложно.
Стехиометрический состав материала тонкой плёнки моносульфида самария получается только методом «взрывного испарения». Этот метод состоит в том, что порошок моносульфида самария медленно ссыпается на нагретый до температуры не менее 2700 °С испаритель. Чтобы материал равномерно ссыпался, дозатор снабжён вибратором. При соприкосновении крупинок распыляемого материала с раскалённым испарителем, он мгновенно испаряется, происходит так называемый «взрыв». В результате на подложку осаждается материал с сохранённой стехиометрией.
В процессе отработки технологии изготовления тен-зорезисторов из моносульфида самария выявлено, что надёжный, «не шумящий» контакт плёнки моносульфида самария с контактным материалом достигается тогда, когда тот осаждается на неё без развакуумирования установки после её осаждения, ибо свободные атомы самария легко соединяются с атомами кислорода в воздухе: на воздухе плёнка самария легко окисляется. Это связано с тем, что кислород и сера являются соседями по группе в периодической таблице химических элементов (таблице Д. И. Менделеева).
Все эти особенности делают необходимой автоматизацию поддержания параметров технологического процесса напыления тонких пленок из моносульфида самария. Достижение этой цели обеспечивается путём применения специальной автоматизированной системы контроля параметров технологического процесса. Существующие методы построения автоматизированных систем управления (АСУ) [18] позволяют получить высокое качество тензорезисторов за счёт точного поддержания технологического процесса их изготовления. Без такой системы очень сложно, а подчас и почти невозможно количественно учесть и напрямую проконтролировать физические процессы и явления, происходящие при изготовлении тонких плёнок из моносульфида самария. Параметры этих процессов задаются и поддерживаются в требуемых пределах путём автоматизированного
Рис. 2. Схема взрывного испарения: 1 — вакуумный колпак, 2,3 — держатель и нагреватель подложки, 4 — подложка, 5 — маска, 6 — дозатор, 7 — испаритель
контроля и при необходимости корректировки технологического режима работы установки вакуумного напыления. Контролируемыми факторами этого технологического процесса являются: давление в камере при осаждении материала, температура испарения материала, температура подложки в процессе осаждения, расстояние между испарителем и подложкой, температура подложки при термообработке, давление в камере при термообработке, продолжительность термообработки, температура подложки при напуске воздуха, длительность хранения очищенной подложки перед установкой в камеру, длительность прогрева испаряемого материала, длительность прогрева подложки и продолжительность хранения подложки с резистивной пленкой до защиты слоем диэлектрика.
Положительным моментом является то, что часть этих контролируемых факторов можно задать и не изменять при отработке и применении технологии на практике. Таким образом сокращается неопределённость при проведении работ по изготовлению тензорезисторов из моносульфида самария. АСУ процессом напыления обеспечивает поддержание этих параметров в требуемом диапазоне. Другую часть этих факторов можно с помощью этой системы контролировать и при необходимости целенаправленно изменять независимо друг от друга. Распределение контролируемых факторов на изменяемые и неизменяемые условно и может быть при необходимости изменено исходя из желаемых условий напыления. Также присутствует некоторая часть факторов, которые не поддаются прямому контролю и изменяются случайно. Тем не менее, за ними можно наблюдать по косвенным признакам, которые фиксируются с помощью АСУ процессом напыления тензорезисторов на основе моносульфида самария.
В этой АСУ помимо контроля непосредственно факторов технологического процесса изготовления тонких
//YSХ>>\
- . fy \\Л\
"^НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В К ^^р^^НФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
1МИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т.
№ 1-2019
плёнок из моносульфида самария, осуществляется двухуровневый контроль давления (вакуума) внутри вакуумного колпака (см. рис. 2). Суть двухуровневого контроля состоит в том, что в АСУ анализируются не только данные с датчика вакуума, но и параметры работы вакуумного насоса. Это позволяет обеспечить повышенную стабильность пониженного давления внутри вакуумного колпака, что повышает качество тензорезисторов, чувствительным слоем в котором является тонкая плёнка из моносульфида самария. Подобным же образом стабилизируется скорость вращения барабана (с частотой п = 20 об/мин) с помощью привода, расположенного на передней стороне крышки камеры.
В зависимости от модификации электродвигателей, использованных в электроприводном насосе и в приводе барабана установки вакуумного напыления, их питание может осуществляться как постоянным током с напряжением 27 В, так и переменным 3-фазным током напряжением 220 В. Сила тока, потребляемого электродвигателем, может быть от нескольких ампер до нескольких сотен ампер. Номинальная частота вращения вала электродвигателей такого типа часто находится в пределах от 4000 до 11000 об/ мин. Исходя из общих требований к вакуумному оборудованию должна обеспечиваться скорость откачки газа (воздуха) не менее 5...10 л/с на 1 л рабочего объёма вакуумного колпака до значения рабочего вакуума порядка 7,5-10-7 мм рт.ст. Рабочий вакуум и скорость вращения барабана должны поддерживаться стабильными в течение всего времени процесса осаждения тонких пленок. В этом случае наиболее перспективными можно считать трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.
Рабочими характеристиками асинхронного двигателя являются зависимости частоты вращения п ротора, тока I статора от полезной мощности Р при номинальных значениях питающего напряжения и с частотой/. Эти характеристики строятся только для зоны практической устойчивой работы электродвигателя (от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10.20%). Частота вращения п с ростом отдаваемой мощности Р изменяется мало, так же как и в механической характеристике. Ток I статора, возрастает с увеличением отдаваемой мощности, но при Р = 0 имеется некоторый ток холостого хода 10.
Если снять нагрузку с такого электродвигателя, то коэффициент мощности уменьшается до значений 0,25.0,3. Поэтому нельзя допускать значительную недогрузку асинхронного двигателя и его работу на холостом ходу, что и обеспечивается с помощью АСУ
Зависимость качества работы вакуумного насоса от тока, потребляемого его электродвигателем, удобно представить в виде графика, пример которого показан на рис. 3. Здесь номинальный ток, потребляемый электродвигателем, равен / . При таком токе эффективность работы
насоса близка к максимальной. Насос считается исправным (работает качественно), если его характеристики соответствуют номинальным с отклонением не более, чем А = |±10|% (см. пунктирные линии на рис. 3).
Рис. 2. Зависимость оценки качества работы электродвигателя от тока
Оценку качества работы (в %) насоса можно получить с учетом тока, потребляемого его электродвигателем. Если рабочий ток не более i , то насос можно считать
г ном7
исправным (при силе тока i —Д показатель качества ещё
максимален) с увеличением тока выше i +Д — электроном
двигатель потребляет больше требуемого и вращаемый им механизм можно оценить, как неисправный (показатель качества уменьшается; на графике не показано, так как этого режима следует не допускать, отремонтировав насос). Уменьшение качества работы насоса также можно ожидать при снижении тока ниже i —Д до значения i . .
г ном min
В этом диапазоне рабочего тока необходимо провести ремонт насоса с целью недопущения отказа его работы во время формирования тонких плёнок. Слежение за током создаёт дополнительную уверенность в качестве технологического процесса при изготовлении тензорезисторов.
На основании детального рассмотрения принципа работы и устройства установки вакуумного напыления разработана технология создания тензорезисторов из моносульфида самария с электрическим сопротивлением от 200 Ом и более с коэффициентом тензочувствитель-ности, лежащим в диапазоне от 15 до 90. Для этого были выявлены основные факторы технологического процесса, которые можно оставить неизменными и которые следует управляемо изменять. Влияние каждого из них на качество изготовления тензорезисторов предварительно оценивалось экспериментальным путем.
АСУ процессом напыления тензорезисторов на основе моносульфида самария нацелена на поддержание тех-
ffi
-2019, H&ES RESEARCH • INFORMATICS, COMPUTER ENGINEERING AND CONTROL
нологического процесса изготовления тензорезисторов из моносульфида самария так, чтобы это позволяло снижать разброс их рабочих характеристик, сокращая время и расходы на их производство.
Литература
1. Грибов В.М., Кофанов Ю. Н., Стрельников В. П. Надёжность бортовых аэрокосмических систем управления. М.: Энергоатомиздат, 2015. 699 с.
2. Шубинский И. Б. Функциональная надёжность информационных систем. Методы анализа. Ульяновск: Печатный двор, 2012. 296 с.
3. Шубинский И. Б. Надёжные отказоустойчивые информационные системы. Методы синтеза. Ульяновск: Печатный двор, 2016. 544 с.
4. Новичков В.М., Мишин Ю. Н. Оценка эффективности и проведение технологического эксперимента при проектировании тензорезисторов на основе моносульфида самария // Материалы XX международной научно-технической конференции, Российской научной школы и Форума «Системные проблемы надёжности, качества, компьютерного моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика-2014)» (Сочи, 29 сентября — 8 октября 2014 г.). М.: Концерн «Моринформистема-Агат», 2014. С. 54-55.
5. Галеев А. Г., Захаров Ю. В., Макаров В. П., Родченко В. В. Проектирование испытательных стендов для экспериментальной отработки объектов ракетно-космической техники. М.: Изд-во МАИ, 2014. 328 с.
6. Моишеев А. А., Ильясов М. Ф., Зверев А. В., Рыков Е. В., Алексеев С. В. Особенности конструкции телескопа Т-170М // Вестник «НПО имени С. А. Лавочкина». 2014. № 5. С. 53-60.
7. Аджян А. П., Аким Э. Л., Алифанов О. М. и др. Машиностроение: Энциклопедия. T. IV-22: Ракетно-космическая техника / под ред. Легостаева В. П. В 2 кн. Кн. 1. М.: Машиностроение, 2012. 925 с.
8. Проектирование автоматических космических аппаратов для фундаментальных научных исследований. В 3-х томах / под ред. В. В. Ефанов, К. М. Пичхадзе. М.: Изд-во МАИ, 2012. Т. 1. 526 с.: ил. ISBN978-5-7035-2300-1.
9. Каминский В. В., Володин Н.М., Соловьев С.М., Мишин Ю. Н., Шаренкова Н. В. Вакуумные технологии изготовления тонкопленочных тензорезисторов на основе сульфида самария для аэрокосмических аппаратов // Вестник ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина». 2013. № 2. С. 26-30.
10. Ильинская Л. С., Иванов В.М., Поднебесное В. В. Высокотемпературные тензорезисторы на основе жаростойких окислов. М.: Энергия, 1973. 72 с.
11. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. 312 с.
12. Блохин В. Г., Глудкин О. П., Гуров А. И., Ханин М. А. Современный эксперимент: подготовка, проведение, анализ результатов. М.: Радио и связь, 1997. 232 с.
13. Макаричев Ю. А., Иванников Ю. Н. Методы планирования эксперимента и обработки данных. Самара: Изд-во СамГТУ, 2016. 131 с.
14. Бодунов Н. М., Дружинин Г. В. Моделирование в задачах производства летательных аппаратов. Казань: Изд-во КНИТУ-КАИ, 2015. 328 с.
15. Kaminskiy V. V., Stepanov N. N., Volodin N. M., Mishin Yu. N. Baroresistor effect and semiconductor thin film baroresistors based on samarium sulfide for spacecraft applications // Solar System Research. 2014. Vol. 48. No. 7. Pp. 561-567.
16. Патрушева Т.Н. Сенсорика. Современные технологии микро- и наноэлектроники. М.: ИНФРА-М; Красноярск: Изд-во СФУ, 2014. 260 с.
17. Bronovets M.A., Volodin N. M., Mishin Yu. N. Measurement of Friction Forces and Wear in Open Space // Journal ofFriction and Wear. 2012. Vol. 33. No. 4. Pp. 279-281.
18. Денисенко В. В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. М.: Горячая линия-Телеком, 2009. 608 с.
-2019
AUTOMATED CONTROL SYSTEM FOR MADE OF SAMARIUM MONOSULFIDE STRAIN GAGES DEPOSITION PROCESS CONTROL
VADIM M. NOVICHKOV,
Moscow, Russia, v13217@ya.ru
YURY N. MISHIN
Moscow, Russia, geo375@rambler.ru
KEYWORDS: strain gage; samarium monosulfide; vacuum deposition; technological process automation; quality improvement; automated control system.
NIKITA I. FILINOV
Moscow, Russia, nikitayo18@gmail.com
ABSTRACT
Improving reliability of design and life of space aircrafts requires strain gauges creation with new qualities. Such strain gauges are necessary for measuring the stress-strain states of structural elements during ground and flight tests. In this case, the strain gauges require parameters' stability and fine metrological characteristics with a small spread in the batch. This is important when they are connected to a variety of automatic recording devices without additional complex settings, which will ensure high accuracy and stability of the strain gages. To ensure the possibility of stress-strain fields investigation in low-dimensional structures, it is important that the strain gages were of small size. This is useful for design improvement of such products as, for example, small-sized space aircraft. These requirements satisfy the strain gages that are made of samarium monosulfide, but an automated control system of technological process for the production of batches of such strain gauges is obtained as a large spread of their characteristics in a batch, and even greater spread from batch to batch. This greatly reduces the positive effect of the use of a new material - samarium monosulfide, which has a high strain sensitivity, theoretically proven radiation resistance and predictable temperature dependence. To obtain a stable result in the production of such strain gauges it is advisable to use a special automated control system of deposition process. The proposed automated process control system allows taking into account, keeping stable and smoothly adjusting the parameters of the vacuum deposition unit, which was previously unavailable during its operation. To provide this, feedback loop includes special adjustment elements that allows selecting the most rational technological modes, and there is a special technological control of the vacuum pump operation mode, which facilitates obtaining the required characteristics in batches of new samarium monosulfide strain gauges.
REFERENCES
1. Gribov V. M., Kofanov Yu.N., Strel'nikov V. P. Nadyozhnost' bor-tovyh aerokosmicheskih sistem upravleniya [Reliability of onboard aerospace control systems]. Moscow: Energoatomizdat, 2015. 699 p. (In Russian)
2. Shubinskij I. B. Funkcional'naya nadyozhnost' informacionnyh sistem. Metody analiza [Functional reliability of information systems. Methods of analysis]. Ul'yanovsk: Pechatnyj dvor, 2012. 296 p. (In Russian)
3. Shubinskij I. B. Nadyozhnye otkazoustojchivye informacionnye siste-my. Metody sinteza [Reliable fault-tolerant information systems. Synthesis methods]. Ul'yanovsk: Pechatnyj dvor, 2016. 544 p. (In Russian)
4. Novichkov V. M., Mishin Yu. N. Otsenka effektivnosti i provedenie tekhnologicheskogo eksperimenta pri proektirovanii tenzorezistor-ov na osnove monosul'fida samariya [Evaluation of the effectiveness and carrying out technological experiment in the design of strain gages based on samarium monosulfide]. MaterialyXX mezhdun-arodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii, Rossiyskoy nauch-noy shkoly i Foruma "Sistemnye problemy nadezhnosti, kachestva, komp'yuternogo modelirovaniya, informatsionnykh i elektronnykh tekhnologiy v innovatsionnykh proektakh" - Innovatika-2014 [Proceedings of the XIX international scientific and technical conference, Russian scientific school and Forum "System problems of reliability, quality, computer modeling, information and electronic technologies in innovative projects (Innovatika-2014)", Sochi, 29 September - 8 October 2014]. Moscow: Kontsern "Morinformistema-Agat", 2014. Pp. 54-55. (In Russian)
5. Galeev A. G., Zaharov Yu.V., Makarov V. P., Rodchenko V. V. Proekti-rovanie ispytatel'nyh stendov dlya eksperimental'noj otrabotki ob"ektov raketno-kosmicheskoj tekhniki [Design of test stands for experimental testing of objects of rocket and space technology].
Vol
Ne
iiï//^ 'id vm
-2019, H&ES RESEARCH • INFORMATICS, COMPUTER ENGINEERING AND CONTROL
~.....///,
^ S'
Moscow: Moscow Aviation Institute Publ., 2014. 328 p. (In Russian)
6. Moisheev A. A., Il'yasov M.F., Zverev A. V., Rykov E. V., Alek-seev S. V. Special features of T-170M telescope's structure. Vestnik «NPO im. S.A. Lavochkina. 2014. No. 5. Pp. 53-60. (In Russian)
7. Adzhyan A. P., Akim E. L., Alifanov O. M. et al. Mashinostroenie: Entsiklopediya. T. IV-22: Raketno-kosmicheskaya tekhnik [Mechanical Engineering: Encyclopedia. T. IV-22: Rocket and space technology]. Moscow: Mashinostroenie, 2012. 925 p. (In Russian)
8. Efanova V. V., Pichkhadze K. M. (Eds.). Proektirovanie avtomatich-eskih kosmicheskih apparatov dlya fundamental'nyh nauchnyh issle-dovanij [Design of automatic spacecraft for basic scientific research]. In 3 vol. Moscow: MAI Publ., 2012. Vol. 1. 526 p. (In Russian)
9. Kaminskij V. V., Volodin N. M., Solov'ev S.M., Mishin Yu.N., Sharenk-ova N. V. Vacuum technologies for manufacturing thin-film samarium sulfide-based strain gauges for aerospace vehicles. Vestnik "NPO im. S.A. Lavochkina". 2013. No. 2. Pp. 26-30. (In Russian)
10. Il'inskaya L.S., Ivanov V. M., Podnebesnov V. V. Vysokotemper-aturnye tenzorezistory na osnove zharostojkih okislov [High-temperature strain gages based on heat-resistant oxides]. Moscow: Energi-ya, 1973. 72 p. (In Russian)
11. Bolotin V. V. Prognozirovanie resursa mashin i konstrukcij [Forecasting the life of machines and structures]. Moscow: Mashinostroenie, 1984. 312 p. (In Russian)
12. Blohin V. G., Gludkin O. P., Gurov A. I., Hanin M. A. Sovremennyj eksperiment: podgotovka, provedenie, analiz rezul'tatov. [Modern experiment: preparation, implementation, analysis of results]. Moscow: Radio i svyaz', 1997. 232 p. (In Russian)
13. Makarichev Yu.A., Ivannikov Yu. N. Metody planirovaniya eksper-imenta i obrabotki dannyh [Methods of experiment planning and
data processing]. Samara: Samara State Technical University (Samara Polytech) Publ., 2016. 131 p. (In Russian)
14. Bodunov N. M., Druzhinin G. V. Modelirovanie v zadachah proiz-vodstva letatel'nyh apparatov [Modeling in problems of aircraft production]. Kazan": Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev - KAI Publ., 2015. 328 p. (In Russian)
15. Kaminskiy V. V., Stepanov N. N., Volodin N. M., Mishin Yu. N. Baro-resistor effect and semiconductor thin film baroresistors based on samarium sulfide for spacecraft applications. Solar System Research. 2014. Vol. 48. No 7. Pp. 561-567.
16. Patrusheva T. N. Sensorika. Sovremennye tekhnologii mikro- i na-noelektroniki [Sensorics. Modern technologies of micro- and nano-electronics]. Moscow: INFRA-M; Krasnoyarsk: SibFU Publ., 2014. 260 p. (In Russian)
17. Bronovets M. A., Volodin N. M., Mishin Yu. N. Measurement of Friction Forces and Wear in Open Space. Journal of Friction and Wear. 2012. Vol. 33. No 4. Pp. 279-281.
18. Denisenko V. V. Komp'yuternoe upravlenie tekhnologicheskim processom, eksperimentom, oborudovaniem [Computer control of technological process, experiment, equipment]. Moscow: Goryachaya liniya-Telecom, 2009. 608 p. (In Russian)
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Novichkov V. M., PhD, Docent, Associate Professor at the Department 305, Moscow Aviation Institute (National Research University); Mishin Yu.N., Senior lecturer at the Department 305, Moscow Aviation Institute (National Research University);
Filinov N. I., Postgraduate at the Department 305, Moscow Aviation Institute (National Research University).
For citation: : Novichkov V.M., Mishin Yu.N., Filinov N.I. Automated control system for made of samarium monosulfide strain gages deposition process control. H&ES Research. 2019. Vol. 11. No.1. Pp. 58-65. doi: 10.24411/2409-5419-2018-10225 (In Russian)
