CC BY
181
УДК 621.372
М. А. Чернецов, А. В. Соколов
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МОДУЛИ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ. ВОПРОСЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ И УНИФИКАЦИИ
Аннотация. Актуальность и цели. Объектом исследования являются конструкции чувствительных элементов (ЧЭ) и измерительных модулей (ИМ) полупроводниковых датчиков давления. Предмет исследования - процессы оптимизации и унификации номенклатуры ЧЭ и ИМ датчиков физических величин. Целью работы является уменьшение себестоимости датчиков физических величин без снижения уровня их технических характеристик и показателей надежности. Результаты. Разработаны конструктивно и функционально законченные унифицированные ЧЭ и ИМ датчиков статических и динамических давлений. Проведен анализ себестоимости датчиков, изготовленных на базе унифицированных ЧЭ и ИМ. Выводы. Сопоставление двух методов изготовления датчиков физических величин (традиционного с использованием полного цикла изготовления и предлагаемого с применением кооперации, при которой используют покупные конструктивно и функционально законченные ЧЭ и ИМ) показало, что датчики, изготовленные по второму варианту, дешевле в 1,5-2 раза, чем по первому.
Ключевые слова: чувствительные элементы, измерительные модули, датчики давления, стандартизация.
M. A. Chernetsov, A. V. Sokolov
DETECTING SENSORS AND MEASURING MODULES OF PRESSURE SENSORS. STANDARTIZATION AND UNIFICATION ISSUES
Abstract. Background. Object of research is the design of detecting elements (DE) and measuring modules (MM) of semiconducting pressure sensors.Subject of research is the processes of optimization and unification of range of items of DE and MM of physical quantity sensors (PQS). The work is aimed at reducing the cost of PQS without decreasing technical characteristics and reliability index thereof. Results. The authors developed structurally and functionally complete standardized DE and MM of static and dynamic pressure sensors. The cost of sensors produced on the basis of standardized DE and MM was analyzed. Conclusions. Comparison of two methods of PQS production (the traditional one, using the full cycle pf production, and the suggested one, using the purchased structurally and functionally complete DE and MM) showed the sensors produced via the second method are 1,5-2 times cheaper than via the first one.
Key words: detecting elements, measuring modules, pressure sensors, standardization.
В настоящее время новым направлением в сфере создания измерительной аппаратуры является изготовление датчиков на основе покупных чувствительных элементов (ЧЭ) и измерительных модулей (ИМ) со 100 % заводской готовностью [1]. Такая технология производства датчиков предполагает
использование стандартных ЧЭ и ИМ, имеющих унифицированные технические характеристики и посадочные размеры и изготавливаемых на высокотехнологичных сторонних предприятиях.
Такое разделение труда и кооперация позволяют [2-7]:
- резко сократить время на разработку как самих датчиков давления (ДД), так и систем на их основе путем использования стандартизированных ЧЭ и ИМ, встраиваемых в корпуса датчиков различной конфигурации;
- значительно сократить трудоемкость изготовления ДД за счет исключения операций настройки ЧЭ и ИМ;
- уменьшить себестоимость ДД и систем на их основе;
- расширить номенклатуру выпускаемых ДД;
- обеспечить высокую временную стабильность;
- упростить стыковку первичных преобразователей с электроникой за счет унификации выходных сигналов ЧЭ и ИМ и т.д.;
- повысить эксплуатационную надежность ДД за счет высокой, изначально гарантированной надежности ЧЭ и ИМ;
- провести оптимизацию конструктивного исполнения узлов ИМ для обеспечения автоматизированной сборки датчиков.
Следует подчеркнуть, что поставляемые ЧЭ и ИМ представляют собой функционально и конструктивно законченные изделия, которые изготавливаются известными на мировом рынке фирмами (Trafag, Е^еусо и др.), имеющими высокотехнологичное оборудование и отработанные технологии. При изготовлении ЧЭ и ИМ их подвергают длительным и разнообразным тренировкам, которые позволяют отбраковывать потенциально ненадежные изделия и обеспечить гарантированную высокую временную стабильность за счет прохождения периода приработки при проведении приемо-сдаточных испытаний.
Номенклатура представленных на рынке зарубежных ЧЭ и ИМ позволяет реализовывать все типы датчиков давления: абсолютного, дифференциального, избыточного с выходными сигналами в виде напряжения.
Проведем обзор и анализ ЧЭ и ИМ, представленных на российском рынке отечественными и зарубежными производителями (табл. 1).
Следует отметить, что в настоящее время в РФ существует ограниченное количество предприятий-производителей интегральных модулей давления: НПК «Технологический центр», г. Зеленоград; ЗАО «Орлекс», г. Орел; ОАО «Орбита», г. Саранск, поэтому спрос потребителей на недорогие и качественные датчики явно не удовлетворен в ЖКХ, РЖД и других сферах общепромышленного применения. Кроме того, потребность в надежных и взаимозаменяемых ДД, созданных на базе стандартных ЧЭ и ИМ, также существует в таких областях, как: ракетно-космическая техника и авиация; военная техника; судостроение; топливно-энергетический комплекс; атомная энергетика; научные и прикладные исследования.
Рассмотрим базовые конструкции и особенности ЧЭ и ИМ, изготавливаемых различными фирмами, отечественными (рис. 1-6) и иностранными (рис. 7)1 [8].
1 Каталоги фирм ОАО «НИИФИ», ЗАО «Орлекс», ОАО «Орбита», НПК «ТЦ», «Та^», «Киїіїе», «ЕМеусо», «Еііге88+Нашег».
150 University proceedings. Volga region
Таблица 1
Основные технические характеристики ЧЭ и ИМ отечественного и иностранного производства
ЧЭ и ИМ отечественного производства ЧЭ и ИМ иностранного производства
НИК «ТЦ», Зеленоград ЗАО «Орлекс» ОАО «Орбита» КиШе Епёеусо Ес1гез5-1 (аивег
Габариты, мм ЧЭ: 4><4; ИМ: 4x4; 0 13 0 20 кристалл: 4x4 кристалл: 1x1 кристалл: 02...5 ЧЭ: 4x4, 6x6; ИМ: 4x4,6x6; 0 15
Тип измеряемого давления АД, ИД ид АД АД, ИД ИД АД, ИД
Тип тензосхемы р-п КНС р-п Р-п, КНД р-п р-п поли-81
Наличие встроенного канала для измерения температуры имеется (р-п переход) отсутствует отсутствует отсутствует отсутствует отсутствует
Диапазон измерений давлений, МПа 0,06... 2,5 0,5...25,0 0,06...2,5 0,02...60,0 0,02...25,0 0,06... 100,0
Выходной сигнал при номинальном давлении, мВ 100 50-100 100-150 30..100 100-250 50-100
Начальный выходной сигнал, не более, мВ/В 3 5 5 - - -
Рабочий диапазон температур, °С -50...+80 -50...+80 -50...+150 -50...+80 50...+250 -50...+150
Долговременный дрейф, мВ/ год 1 - 2 0,5 - 1,0
Примечание. 11оли-81 - тензорезисторы на поликремниевых пленках; КНД - тензорезисторы на структурах «монокристаллический кремний на диэлектрике»; КНС — тензорезисторы — эпитаксиальный кремний на сапфире; АД - измерительный модуль абсолютного давления; ИД - измерительный модуль избыточного давления; р-п - тензорезисторы на р-и-переходах.
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Зона под ЭСС
Рис. 1. Полупроводниковый ЧЭ с профилированным упругим кремниевым элементом, тензо- и терморезисторами: а - топология, б - внешний вид
Рис. 2. Балочный (а) и мембранный (б) ЧЭ металлопленочного датчика статикодинамических давлений: 1-6 - контактные площадки; 7 - мембрана; 8-11 - тензорезисторы; 12 - термокомпенсационный резистор; 13 - перемычка
Рис. 3. Чувствительные элементы и измерительный модуль полупроводникового датчика относительного давления
Рис. 4. Герметизированный измерительный модуль пьезорезисторного датчика избыточного давления
2 3 4
Рис. 5. Измерительные модули полупроводниковых датчиков давления: а - акустического (1 - электрический вывод; 2 - ПЧЭ (кристалл); 3 - стеклобуса; 4 - основание из ковара); б - абсолютного (1 - ПЧЭ (кристалл); 2 - контактная площадка; 3 - электрический вывод; 4 - эластичный герметик (силикон);
5 - вакуумированная полость; 6 - стеклоколпачок; 7 - гермопроходник;
8 - гермовывод; 9 - стеклобуса; 10 - корпус)
Как показали поисковые исследования, на рынке датчиков в настоящее время представлены несколько типов функционально и конструктивно законченных измерительных модулей 100 % готовности по достаточно приемлемым ценам. ИМ поставляются протестированными, прошедшими достаточно жесткие тренировки, включая термошоковые, вибро- и гидравлические нагрузки достаточно высокой длительности. При ускоренных испытаниях выявляются скрытые дефекты и несовершенства в чувствительных элементах ИМ, что позволяет отбраковывать потенциально ненадежные ИМ.
Устанавливая стандартизованные ИМ в датчики различной конфигурации, можно получить целую гамму датчиков абсолютного, дифференциаль-
ного, относительного и избыточного давления. При этом, хотя изготовитель не указывает величину радиационной стойкости ИМ, можно предположить, что самыми стойкими являются тонкопленочные, в меньшей мере толстопленочные, а самыми малостойкими являются пьезорезисторные ИМ.
б)
Рис. 6. Измерительные модули тензорезистивных датчиков давления на основе структур КНС: а - с приемной полостью; б - без приемной полости: 1 - ЧЭ (КНС); 2 - металлическая измерительная мембрана; 3 - контактная колодка; 4 - разделительная металлическая мембрана; 5 - шток
1
а)
б)
в)
Рис. 7. Зарубежные измерительные модули 100 % готовности: а - тонкопленочный ИМ фирмы Тга/а£■; б - МРЫ280-03-0-0-Ь-1 модуль относительного давления; в - МБМ290 модуль дифференциального давления
Как показала практика, использование покупных ИМ позволяет в значительной мере снизить себестоимость и трудоемкость изготовления датчиков в целом.
Для подтверждения возможности значительного снижения цены при использовании покупных ИМ и блоков преобразования представим обобщенную калькуляцию изготовления датчика избыточного давления (табл. 2).
Таблица 2
Калькуляция изготовления датчика избыточного давления
№ Наименование затрат Стоимость
1 Модуль давления РМ 29 ООО «Оникс-электро», г. Москва 35 долл. х 31 руб. = 1085 руб.
2 Микросхема для компенсации и организации аналогового (по напряжению или 4...20 мА) или цифрового выхода фирма «2МБ», Германия 200 руб.
3 Печатная плата с постановкой элементов поверхностным монтажом 150 руб.
4 Разъем типа 2 РМ завод «Эликон», г. Казань 200 руб.
5 Изготовление корпуса 1,5 н/ч х 100 руб.
6 Изготовление штуцера 2,0 н/ч х 100 руб.
7 Сборка 3,0 н/ч х 100 руб.
8 Настройка и ПСИ 2,0 н/ч х 100 руб.
9 Итого полная себестоимость датчика давления на основе покупного модуля 2485 руб./шт.
Себестоимость также может быть уменьшена за счет выбора более дешевого разъема и использования покупного стандартного корпуса.
Таким образом, можем сделать следующие выводы:
1. Производство датчиков давления на основе использования их элементов, производимых разными изготовителями, позволит сократить себестоимость продукции и время, затрачиваемое на производство.
2. Использование комплектующих элементов дает возможность конечному производителю датчиков давления организовать получение комплектующих с требуемыми характеристиками их функционирования, что повысит надежность выпускаемой продукции.
3. Рассмотренный подход позволяет производителям совершенствовать изготовление определенного вида продукции, что уменьшает затраты и оптимизирует производственный процесс.
Список литературы
1. РМГ 29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерения. Метрология. Основные термины и определения. - Минск : ИПК Издательство стандартов, 2000.
2. А. с. СССР 1527526. Интегральный полупроводниковый преобразователь давления / Михайлов П. Г., Козин С. А. - БИ № 45, 1989.
3. Михайлов, П. Г. Микроэлектронные датчики. Разработка и проектирование / П. Г. Михайлов, А. В. Варламов // Датчики и системы. - 2007. - № 8. - С. 23-26.
4. Михайлов, П. Г. Микроэлектронные датчики: особенности конструкций и характеристик / П. Г. Михайлов, Е. А. Мокров // Электронные компоненты. -2006. - № 5. - С. 12-15.
5. Козин, С. А. Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС-технологий / С. А. Козин, И. Н. Баринов // Компоненты и технологии. -2010. - № 1. - С. 24-25.
6. Белозубов, Е. М. Тонкопленочные микроэлектромеханические системы и датчики на их основе / Е. М. Белозубов, Н. Е. Белозубова, В. А. Васильев // Нано-и микросистемная техника. - 2009. - № 2. - С. 33-39.
7. Михайлов, П. Г. Микроэлектронный датчик давления и температуры / П. Г. Михайлов // Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика. -2003. - № 11. - С. 29-31.
References
1. RMG 29-99 Rekomendatsii po mezhgosudarstvennoy standartizatsii. Gosudarstvenna-ya sistema obespecheniya edinstva izmereniya. Metrologiya. Osnovnye terminy i oprdeleniya [Recommendations on interstate standardization. State system of measurements uniformity provision. Metrology. Basic terms and definitions]. Minsk: IPK Iz-datel'stvo standartov, 2000.
2. A. s. SSSR 1527526. Integral’nyy poluprovodnikovyy preobrazovatel’ davleniya [Integral semi-conducting pressure transducer]. Mikhaylov P. G., Kozin S. A. BI no. 45, 1989.
3. Mikhaylov P. G., Varlamov A. V. Datchiki i sistemy [Sensors and systems]. 2007, no. 8, pp. 23-26.
4. Mikhaylov P. G., Mokrov E. A. Elektronnye komponenty [Electronic components]. 2006, no. 5, pp. 12-15.
5. Kozin S. A., Barinov I. N. Komponenty i tekhnologii [Components and technologies]. 2010, no. 1, pp. 24-25.
6. Belozubov E. M., Belozubova N. E., Vasil'ev V. A. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano- and microsystem technology]. 2009, no. 2, pp. 33-39.
7. Mikhaylov P. G. Pribory i Sistemy. Upravlenie. Kontrol’. Diagnostika. [Devices and Systems. Management. Control. Diagnostics]. 2003, no. 11, pp. 29-31.
Чернецов Михаил Андреевич
аспирант, Пензенский государственный технологический университет (Россия, г. Пенза, пр. Байдукова, 1а/11)
E-mail: mseqtor@gmail.com
Соколов Александр Владимирович
аспирант, Пензенский государственный технологический университет (Россия, г. Пенза, пр. Байдукова, 1а/11)
E-mail: sokolov_av_avto@ mail.ru
Chernetsov Mikhail Andreevich Postgraduate student, Penza State University of Technology (1a/11 Baydukova passage, Penza, Russia)
Sokolov Aleksandr Vladimirovich
Postgraduate student, Penza State
University of Technology
(1a/11 Baydukova passage, Penza, Russia)
УДК 621.372 Чернецов, А. М.
Чувствительные элементы и измерительные модули датчиков давления. Вопросы стандартизации и унификации / М. А. Чернецов, А. В. Соколов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 3 (27). - С. 148-155.
