CC BY
9
ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА _И РАДИОТЕХНИКА_
ELECTRONICS, MEASURING EQUIPMENT AND RADIO ENGINEERING
УДК 681.518.3
doi:10.21685/2072-3059-2022-3-7
Информационно-измерительная и управляющая система импульсно-токовой стабилизации параметров тензорезистивных датчиков давления
К. Э. Уткин1, Б. В. Цыпин2
^Пензенский государственный университет, Пенза, Россия 1lord91penza@mail.ru, 2cypin@yandex.ru
Аннотация. Актуальность и цели. В настоящее время широкое применение в ракетно-космической технике, авиа- и вертолетостроении находят системы измерения давления, основным компонентом которых выступают тензорезистивные датчики давления (ТДД), стабильность которых напрямую зависит от стабильности тонкопленочных резисторов. В процессе эксплуатации и хранения датчиков давления значения сопротивления резисторов изменяются (увеличиваются или уменьшаются) в зависимости от процессов, преобладающих в это время. Несмотря на значительные функциональные возможности ТДД, актуальна задача повышения стабильности метрологических характеристик. Материалы и методы. Одним из наиболее эффективных методов улучшения стабильности ТДД является импульсно-токовая обработка тензорезисторов. Автоматизация сложного процесса импульсно-токовой стабилизации параметров тонкопленочных резисторов возможна за счет разработки специализированной информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС), реализующей автоматизированный подбор параметров воздействующих импульсов для конкретного типа резисторов с учетом их индивидуальных характеристик. Для адаптации процесса стабилизации к конкретным параметрам резисторов в ИИУС вводится узел измерения сопротивления в процессе импульсно-токового воздействия. Результаты. Предложена структурная схема ИИУС, реализующая автоматизированный адаптивный подбор параметров воздействующих импульсов при проведении импульсно-токовой стабилизации ТДД. Выводы. Построение ИИУС на основе предложенной структурной схемы позволит достичь минимально возможной нестабильности метрологических характеристик ТДД непосредственно в ходе технологического процесса и адаптировать параметры импульсно-токовой стабилизации к текущим значениям параметров ТДД.
Ключевые слова: информационно-измерительная система, управляющая система, импульсно-токовая стабилизация, тонкопленочный резистор, тензорезистивный датчик давления, система стабилизации
© Уткин К. Э., Цыпин Б. В., 2022. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
Для цитирования: Уткин К. Э., Цыпин Б. В. Информационно-измерительная и управляющая система импульсно-токовой стабилизации параметров тензорезистивных датчиков давления // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2022. № 3. С. 67-73. doi:10.21685/2072-3059-2022-3-7
Information-measuring and control system of pulse-current stabilization of parameters of tensoresistive pressure sensors
K.E. Utkin1, B.V. Tsypin2
1,2Penza State University, Penza, Russia 1lord91penza@mail.ru, 2cypin@yandex.ru
Abstract. Background. Today, pressure measurement systems, which include outgoing tensoresistive pressure sensors (TPS), whose dependence naturally depends on the stability of thin film resistors are widely used in rocket and space technology, aviation, and helicopter industry. During the operation and storage of sensors, the resistance values of the resistors change: they increase or decrease, depending on the processes prevailing at this time. Despite the high functionality of TPS, the problem of ensuring a stable metrological characteristic is relevant. Materials and methods. One of the most effective methods for improving the stability of TPS is the pulse-current processing of strain gauges. Automation of the complex process of pulse-current stabilization of the parameters of thin-film resistors is possible through the development of a specialized information-measuring and control system (IMCS) that implements an automated selection of the parameters of the acting pulses for a particular type of resistors, taking into account their individual characteristics. To adapt the stabilization process to the specific parameters of the resistors, a unit for measuring resistance in the process of pulse-current exposure is introduced into the IMCS. Results. A block diagram of the IMCS is proposed, which implements an automated adaptive selection of the parameters of the acting pulses during the pulse-current stabilization of the TPD. Conclusions. The construction of an IMCS based on the proposed block diagram will allow achieving the minimum possible instability of the metrological characteristics of the TPS directly in the course of the technological process and adapting the parameters of the pulse-current stabilization to the current values of the TPS parameters.
Keywords: information-measuring system, control system, pulse-current stabilization, thin-film resistor, tensoresistive pressure sensor, stabilization system
For citation: Utkin K.E., Tsypin B.V. Information-measuring and control system of pulse-current stabilization of parameters of tensoresistive pressure sensors. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2022;(3):67-73. (In Russ.). doi:10.21685/2072-3059-2022-3-7
Введение
Совершенствование качества и стабильности датчикопреобразующей аппаратуры, используемой в ракетно-космической технике, авиа- и вертоле-тостроении, является приоритетным направлением при их изготовлении [1]. Широкое применение в ракетно-космической технике, авиа- и вертолетостро-ении находят системы измерения давления, основным компонентом которых выступают тензорезистивные датчики давления (ТДД), стабильность которых напрямую зависит от стабильности тонкопленочных резисторов (ТР) [2]. Стабильность метрологических характеристик ТДД напрямую зависит от стабильности ТР [3, 4]. В процессе эксплуатации и хранения датчиков давления происходит естественное «старение» ТР. Известно, что при сращивании,
укрупнении кристаллитов резистивного слоя значение сопротивления резисторов уменьшается, а при окислении резистивного слоя и при взаимодиффузии резистивного слоя и слоя диэлектрика - увеличивается [5, 6]. Для улучшения стабильности в технологический процесс изготовления ТР вводятся дополнительные операции температурной стабилизации (в вакууме и на воздухе), состоящие в управляемом энергетическом воздействии на формируемые тонкопленочные резистивные структуры [7, 8].
Импульсно-токовая стабилизация резистивных пленок является одной из разновидностей термотоковой обработки, основные задачи которой: предотвращение окисления верхнего резистивного слоя в процессе хранения и эксплуатации, предотвращение взаимодиффузии на границах раздела слоев (резистивного и диэлектрического) и устранение межзерновой диффузии [9, 10].
Существующие системы управления процессом стабилизации параметров ТДД не способны реализовать адаптивные алгоритмы с учетом индивидуальных особенностей конкретного типа обрабатываемого резистора, так как не используют измерение параметров тензорезисторов в процессе стабилизации [11].
Материалы и методы
Исследования показали, что для достижения необходимых значений метрологических характеристик ТДД процесс стабилизации должен изменяться/адаптироваться в соответствии с индивидуальными параметрами и характеристиками конкретного датчика [12]. В связи с этим актуальной задачей является автоматизация сложного процесса импульсно-токовой стабилизации параметров тонкопленочных резисторов за счет разработки специализированной информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС), реализующей автоматизированный подбор параметров воздействующих импульсов для конкретного типа тензорезистивного датчика давления с учетом индивидуальных параметров тензорезисторов.
В настоящее время известны системы [13, 14], недостатками которых являются малые функциональные возможности, недостаточная надежность, устаревшая элементная база. Для устранения описанных недостатков систем стабилизации предложен новый принцип построения ИИУС, реализующий непрерывный контроль значений сопротивления резисторов.
Результаты
Предложена структура ИИУС (рис. 1), в которую входят: персональный компьютер (ПК), служащий для автоматизации процесса управления параметрами и режимами технологического процесса обработки, устройство токовой обработки резисторов (ТОР) и накопления статистической информации в процессе эксплуатации; источник высоковольтного напряжения (ИВН); микроконтроллер (МК); локальная вычислительная сеть (ЛВС); узел измерения сопротивления (УИС); зондовые устройства, обеспечивающие соединение с тонкопленочными резисторами; устройства коммутации, позволяющие увеличить количество подключаемых для стабилизации резисторов до 20.
Реализация адаптивных алгоритмов с учетом индивидуальных характеристик конкретного ТДД достигается подключением к локальной вычислительной сети узла измерения сопротивления, позволяющего контролировать
значения сопротивления резисторов на всех этапах стабилизации в перерывах между импульсами токового воздействия. Устройства ТОР предназначены для формирования последовательностей пачек высоковольтных импульсов в соответствии с программой обработки, задаваемой ПК, и результатами измерений сопротивления в процессе воздействия. Амплитуда, скважность и количество импульсов в пачке предварительно рассчитываются исходя из типа тензорезисторов, требуемого значения сопротивления и этапа стабилизации и задаются программно. Амплитуда импульсов напряжения может изменяться в диапазоне от 50 до 260 В, а длительность импульсов в диапазоне от 10 цс до 10 мс.
Рис. 1. Структурная схема ИИУС
Длительность воздействия на каждом из этапов обработки резисторов определяется по результатам измерений значений сопротивления. После прекращения изменения сопротивления импульсное воздействие оканчивается, и происходит переход к следующему этапу.
На рис. 2 представлены три этапа обработки тензорезисторов.
1=1
Этап 1 Этап 2 Этап 3
Рис. 2. Зоны распространения тепловой энергии на этапах стабилизации
На первом этапе параметры воздействующих электрических импульсов (амплитуда, скважность и длительность пачки импульсов) выбираются из условия предупреждения перегрева резисторов, на втором этапе - из условия достаточности температуры для структурирования тонкой резистивной пленки, на третьем этапе - из условия обеспечения ускоренной взаимодиффузии материалов и образования оксидного слоя.
Заключение
На основе анализа недостатков существующих систем стабилизации параметров ТДД предложена и разработана структурная схема ИИУС им-пульсно-токовой стабилизации параметров ТДД, позволяющая повысить производительность устройства для стабилизации резисторов и достичь минимально возможной нестабильности метрологических характеристик ТДД непосредственно в ходе технологического процесса, адаптируя параметры импульсно-токовой стабилизации к текущим значениям параметров ТДД.
Достигнутая к настоящему времени относительная нестабильность начального выходного напряжения ТДД составляет не менее ±7 % в условиях хранения, ±15 % - в условиях эксплуатации, а температурная нестабильность, определяемая приведенным значением коэффициента функции влияния температуры на начальный выходной сигнал, составляет ±2 10-4 1/°С.
После применения стабилизации погрешность начального выходного сигнала снижается при хранении до 3 %, при эксплуатации - до 7 %, а приведенное значение коэффициента функции влияния температуры на начальный выходной сигнал ±4 10-5 1/°С.
Продолжительность термостабилизации тензорезисторов известными методами составляет несколько часов, в то время как предложенная ИИУС с трехэтапным импульсным воздействием обеспечивает достижение результатов стабилизации за несколько минут.
Список литературы
1. Доросинский А. Ю. Применение физико-технических методов для выявления причин отказов проволочных резисторов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2020. № 1. С. 58-69.
2. Белозубов Е. М. Перспективные тонкопленочные тензорезисторные датчики давления для ракетной и авиационной техники // Измерительная техника. 2004. № 5. С. 37-41.
3. Уткин К. Э., Здобнов С. А., Цыпин Б. В. Влияние температуры подложки на значение температурного коэффициента сопротивления и структуру резистивной пленки из сплава П65ХС // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : сб. тр. XXXIV Междунар. науч.-техн. конф. Пенза : Изд-во ПГУ, 2021. С. 139-143.
4. Уткин К. Э. Способы стабилизации тонкопленочных резисторов: недостатки и преимущества // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации («Шляндинские чтения - 2021») : сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. Пенза : Изд-во ПГУ, 2020. С. 338-342.
5. Белозубов Е. М. Васильев В. А. Нано- и микроэлектромеханические системы тонкопленочных датчиков давления. Принципы построения и перспективы использования // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. № 9. С. 26-32.
6. Баринов И. Н., Волков В. С., Цыпин Б. В., Евдокимов С. П. Разработка и изготовление микроэлектронных датчиков давления для особо жестких условий эксплуатации // Датчики и системы. 2014. № 2. С. 49-61.
7. Welsh B. L., Pyne C. R. A method to improve the temperature stability of semiconductor strain gauge transducers // Journal of Physics. E Scientific Instruments. 2000. Vol. 13 (8). P. 816. doi:10.1088/0022-3735/13/8/003
8. Dabrowski A. Pulse stability of low ohmic thick-film resistors // 21st European Microelectronics and Packaging Conference (EMPC) & Exhibition. 2017. doi:10.23919/EMPC.2017.8346887
9. Чебурахин И. Н. Оборудование для пакетной импульсно-токовой стабилизации тонкопленочных тензорезисторов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2017. № 2. С. 14-17.
10. Михайлов П. Г., Смогунов В. В., Вольников М. И. Технологии формирования ге-тероструктур измерительных преобразователей // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2020. № 3. С. 56-87.
11. Mikhaylov P. G., Kassimov A. O., Khizirova M. A. Microelectronic Sensors for the Aircraft and Space-Rated Equipment // International Journal of Advanced Biotechnology and Research (IJBR). 2017. Vol. 8, № 4. P. 123-151.
12. Ozhikenov K. A., Mikhailov P. G., Ismagulova R. S. Development of Technologies, Methods and Devices of the Functional Diagnostics of Microelectronic Sensors Parts and Components // 13 th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (A PEIE). 2016. Vol. 1. P. 62-79.
13. Патент 2211471С2 Российская Федерация. Блок управления, защиты и сигнализации модуля компрессорного заправочного / Кадников Л. Н., Лукин Д. В., Живод-ров С. Н., Гордиенко А. Г., Рязанов В. Г. Опубл. 27.08.2003.
14. Патент 35902U1 Российская Федерация. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами "ПАССАТ" / Мякишев Д. В., Тархов Ю. А., Столяров К. А. Опубл. 10.02.2004.
References
1. Dorosinskiy A.Yu. Application of physical and technical methods to identify the causes of failures of wirewound resistors. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Po-volzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2020;(1):58-69. (In Russ.)
2. Belozubov E.M. Promising thin-film tensoresistor pressure sensors for rocket and aviation technology. Izmeritel'naya tekhnika = Measuring technology. 2004;(5):37-41. (In Russ.)
3. Utkin K.E., Zdobnov S.A., Tsypin B.V. Effect of substrate temperature on the temperature coefficient of resistance and the structure of a resistive alloy film P65KhS. Prob-lemy avtomatizatsii i upravleniya v tekhnicheskikh sistemakh: sb. tr. XXXIVMezhdunar. nauch.-tekhn. konf. = Issues of automation and control in technical systems: proceedings of the 34th International scientific and engineering conference. Penza: Izd-vo PGU, 2021:139-143. (In Russ.)
4. Utkin K.E. Methods for stabilizing thin film resistors: disadvantages and advantages. Metody, sredstva i tekhnologii polucheniya i obrabotki izmeritel'noy infor-matsii(«Shlyandinskie chteniya - 2021»): sb. tr. Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. = Methods, tools and technologies for obtaining and processing measurement information ("Shlyadinsky readings - 2021"): proceedings of the International scientific and engineering conference. Penza: Izd-vo PGU, 2020:338-342. (In Russ.)
5. Belozubov E.M. Vasil'ev V.A. Nano- and microelectromechanical systems of thin-film pressure sensors. Using principles of construction and prospects. Pribory i sistemy. Up-ravlenie, kontrol', diagnostika = Devices and systems. Management, control, diagnostics. 2009;9:26-32. (In Russ.)
6. Barinov I.N., Volkov V.S., Tsypin B.V., Evdokimov S.P. Development and production of microelectronic pressure sensors for particularly harsh operating conditions. Datchiki i sistemy = Sensors and systems. 2014;(2):49-61. (In Russ.)
7. Welsh B.L., Pyne C.R. A method to improve the temperature stability of semiconductor strain gauge transducers. Journal of Physics. E Scientific Instruments. 2000;13(8):81б. doi:10.1088/0022-3735/13/8/003 S. Dabrowski A. Pulse stability of low ohmic thick-film resistors. 21st European Microelectronics and Packaging Conference (EMPC) & Exhibition. 2017. doi:10.23919/ EMPC.2017.S346SS7
9. Cheburakhin I.N. Equipment for batch pulse-current stabilization of thin-film strain gauges. Izmerenie. Monitoring. Upravlenie. Kontrol' = Measurement. Monitoring. Management. Control. 2017;(2):14-17. (In Russ.)
10. Mikhaylov P.G., Smogunov V.V., Vol'nikov M.I. Technologies for the formation of jet-terostructures of measuring transducers. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Pov-olzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2020;3:56-S7. (In Russ.)
11. Mikhaylov P.G., Kassimov A.O., Khizirova M.A. Microelectronic Sensors for the Aircraft and Space-Rated Equipment. International Journal of Advanced Biotechnology andResearch (IJBR). 2017;S(4):123-151.
12. Ozhikenov K.A., Mikhailov P.G., Ismagulova R.S. Development of Technologies, Methods and Devices of the Functional Diagnostics of Microelectronic Sensors Parts and Components. 13th Intemational Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (A PEIE). 201б;1:б2-79.
13. Patent 2211471S2 Russian Federation. Blok upravleniya, zashchity i signalizatsii mod-ulya kompressornogo zapravochnogo = Control, protection and signaling unit of the compressor filling station module. Kadnikov L.N., Lukin D.V., Zhivodrov S.N., Gor-dienko A.G., Ryazanov V.G. Publ. 27.0S.2003. (In Russ.)
14. Patent 35902U1 Russian Federation. Kompleks programmno-apparatnykh sredstv avtomatizatsii upravleniya tekhnologicheskimi protsessami "PASSAT" = A complex of software and hardware tools for automating the control of technological processes "PASSAT". Myakishev D.V., Tarkhov Yu.A., Stolyarov K.A. Publ. 10.02.2004. (In Russ.)
Информация об авторах I Information about the authors
Кирилл Эдуардович Уткин Kirill E. Utkin
аспирант, Пензенский государственный Postgraduate student, Penza State
университет (Россия, г. Пенза, University (40 Krasnaya
ул. Красная, 40) street, Penza, Russia)
E-mail: lord91penza@mail.ru
Борис Вульфович Цыпин Boris V. Tsypin
доктор технических наук, профессор, Doctor of engineering sciences, professor,
профессор кафедры ракетно- professor of the sub-department of rocket-
космического и авиационного space and aviation instrumentation,
приборостроения, Пензенский Penza State University (40 Krasnaya
государственный университет street, Penza, Russia) (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: cypin@yandex.ru
Поступила в редакцию I Received 22.0S.2022
Поступила после рецензирования и доработки I Revised 19.09.2022 Принята к публикации I Accepted 10.10.2022
