CC BY
35
Международный научно-исследовательский журнал •№ 7(38) ■ Август
3 Barinov I.N., Cypin B.V. Sostojanie razrabotok i tendencii razvitija vysokotemperatumyh tenzorezistivnyh datchikov davlenij na osnove karbida kremnija // Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika.-2010.- №11.-S. 50-60.
4 Barinov I.N., Volkov V.S., Kuchumov E.V. Strunnyj avtogeneratornyj izmeritel'nyj preobrazovatel' na osnove p'ezostruktury // Izmerenie. Monitoring. Upravlenie. Kontrol'., №2. 2014. S.58-65.
5 Volkov V.S., Barinov I.N. Poluprovodnikovye datchiki davlenija na osnove rezonansnogo preobrazovatelja // Pribory. -
2012.-№7.-S. 9-13.
6 Volkov V.S., Barinov I.N. Avtomatizacija razrabotki diagnosticheskogo obespechenija intellektual'nyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory. - 2009. - № 12. - s. 20 - 26.
7 Volkov V.S., Fandeev V.P., Barinov I.N. Ispol'zovanie informacionnyh tehnologij dlja razrabotki diagnosticheskogo obespechenija jelektronnyh ustrojstv // Tehnologii priborostroenija. - 2006. - № 4. - s. 21 - 23.
8 Volkov V.S., Barinov I.N. Ispol'zovanie sistemy Simulink pri imitacionnom modelirovanii vysokotemperatumyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory.- 2011. - . № 7. - s. 50 - 55.
Волков В.С.1
Доцент, кандидат технических наук,
Пензенский государственный университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТЕНЗОРЕЗИСТОРАМИ ИЗ ВЫСОКООМНОГО КРЕМНИЯ
Аннотация
Показаны причины возникновения временной нестабильности в чувствительных элементах датчиков давлений и предложены методы по ее уменьшению. Проанализированы результаты моделирования чувствительного элемента на основе КДК-структуры со схемой температурной компенсации на основе высокоомного терморезистор.
Ключевые слова: высокотемпературный датчик давления, дефекты полупроводника, КДК-структура,
высокоомный кремний.
Volkov V.S.
Associate professor, PhD in technical sciences, Penza State University CHARACTERISTICS ANALYSIS OF SEMICONDUCTOR SENSOR WITH HIGH-RESISTANCE SILICON
STRAIN GAGES
Abstract
The causes of pressure sensor elements long-term unstability are showed. The results of simulation the SOI-sensor including temperature compensation circuit based on a high resistance thermistor are analyzed.
Keywords: high temperature pressure sensor, semiconductor defects, SOI-structure, high-resistance silicon.
Эксплуатация современных датчиков давлений в особо жестких условиях постоянно повышает требования к точностным и эксплуатационным характеристикам высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений (ПДД) [1 - 4].
Наибольшую сложность представляет компенсация нестабильности метрологических характеристик, вызванной прогрессирующими погрешностями - медленно изменяющимися во времени по случайному закону погрешностями (дрейфом) [5 - 7]. В чувствительных элементах (ЧЭ) ПДД основным источником дрейфовых погрешностей являются легированные участки кремния в виде различных слоев (тензорезисторы, терморезисторы и др.), полученные диффузией и ионным легированием. Внутренняя структура легированных участков содержит значительное количество дефектов, наличие которых вызывает деградацию характеристик кремния, а значит и ЧЭ в целом, вследствие процессов, вызванных объемной диффузией, особенно при эксплуатации в широком диапазоне температур [5-7].
Еще одной причиной долговременных дрейфовых погрешностей ЧЭ ПДД является наличие p - n перехода между резисторами и подложкой (поверхностью ЧЭ), что вызывает возникновение механических напряжений, релаксирующих как во времени, так и при изменении температуры. Кроме того, наличие p-n перехода ограничивает функционирование кремниевого ЧЭ при температуре свыше 120 °С вследствие наступлении при данной температуре теплового пробоя.
Исключить p - n переход позволяет конструкция, использующая структуру «кремний-диэлектрик-кремний» (КДК), обладающая существенными преимуществами по сравнению с традиционными конструкциями кремниевых ЧЭ ПДД [5-7].
В такой конструкции мембрана ЧЭ покрыта изолятором (слоем SiO2), а на поверхности изолятора расположены тензорезисторы меза-типа из монокристаллического кремния, обладающего удельным сопротивлением не менее 20 Ом-см, что соответствует концентрации бора не более 1015 см-3. Это позволяет значительно уменьшить количество дефектов в кремнии, а значит и долговременную дрейфовую погрешность [5, 6]. Исключение p-n позволяет расширить температурный диапазон эксплуатации ПДД до 300°С [5-7].
Тензорезисторы располагаются на поверхности ЧЭ и объединяются в измерительный мост Уитстона. Параметры тензорезисторов следующие: номинальное сопротивление не менее 1 МОм, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) тензорезисторов порядка 0,8 %/°С, температурный коэффициент тензочувствительности (ТКЧ) порядка 0,4 %/°С, коэффициент тензочувствительности при нормальной температуре k = 150, деформация, соответствующая максимальному давлению е = 0,0005 [5-8].
Сопротивления тензорезистора как функция деформации, прямо пропорциональной измеряемому давлению, и температуры представлена выражением [5]:
27
Международный научно-исследовательский журнал •№ 7(38) ■ Август
R(P, T) = Rq(1 + aj AT )(1 ± k0 (1 + yAT )e)
(i)
где R0 - номинальное сопротивление при температуре 25 °С, ai - ТКС [1/°С], k0 - коэффициент при температуре 25 °С, е - относительная деформация тензорезистора, у - ТКЧ [1/°С], AT - диапазон изменения рабочей температуры ПДД.
Выходной сигнал измерительного моста Уитстона равен (2):
U = и RR4 ~ R2 R3
в1х п (Rj + R2) • (R3 + R4)
(2)
Выходное напряжение измерительного моста Уитстона исследовалось при помощи моделирования в программе MathCad [9-11].
На рисунке 1 показан выходной сигнал измерительного моста Уитстона при максимальном входном давлении на ПДД в программной среде MathCad при напряжении питания 1 В в диапазоне температур AT = 300 °С.
Анализ данных на рисунке 1 показывает, что выходное напряжение при максимальной деформации ЧЭ равно 75 мВ и в диапазоне температур до 300 °С линейно возрастает до 165 мВ, т.е., увеличивается более чем в 2 раза. Такая температурная погрешность обусловлена высокими значением ТКЧ тензорезисторов, что является наиболее существенным недостатком использования нелегированного кремния для изготовления ЧЭ.
Рис. 1 - Выходной сигнал мостовой схемы при максимальном давлении в заданном диапазоне температур ПДД
Простейшим способом компенсации температурной погрешности тензочувствительности является подключение к выходу моста Уитстона делителя напряжения, состоящего из терморезистора Rt и постоянного подстроечного резистора Ra. В этом случае выходное напряжение будет описываться формулой
и„
и R1R4 ~ R2 R3______•
п (Rj + R) • (R + R4) • (AT) + •
(3)
где R (AT) = R,0 (1 + ^ AT). Для снижения дрейфовой погрешности ЧЭ терморезистор также должен изготавливаться из нелегированного монокристаллического кремния, тогда его номинал и ТКС будут такие же, как у тензорезисторов.
Значение построечного сопротивления Ra определяется из условия нечувствительности измерительного моста Уитстона к изменению температуры путем дифференцирования выражения (3) по температуре и приравнивания к 0. Тогда Ra будет равен
R
д
R0(a-y)
У
(4)
Для заданных значений моделируемого измерительного моста Уитстона значение построечного сопротивления Ra равно 3 106 Ом. Выходное напряжение моста при использовании схемы температурной компенсации показано на рисунке 2.
28
Международный научно-исследовательский журнал ■№ 7(38) ■ Август
Рис. 2 - Выходное напряжение мостовой схемы после температурной компенсации.
Значение выходного сигнала составляет 56 мВ во всем диапазоне температур Снижение выходного сигнала является единственным недостатком такой схемы температурной компенсации, но в данном случае оно составляет не более 25 %.
Литература
1 Баринов И.Н. Высокотемпературные тензорезистивные датчики давлений на основе карбида кремния. Состояние разработок и тенденции развития // Компоненты и технологии.-2010.-№8.-С. 64-71.
2 Баринов И.Н., Цыпин Б.В. Состояние разработок и тенденции развития высокотемпературных тензорезистивных датчиков давлений на основе карбида кремния // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.-2010.-№11.-С. 50-60.
3 Мокров Е.А. Баринов И.Н. Разработка высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.-2008.- №11.- С. 8-13.
4 Волков В.С., Баринов И.Н. Полупроводниковые датчики давления на основе резонансного преобразователя // Приборы.-2012.-№7.-С. 9-13.
5 Баринов И.Н., Волков В.С. Повышение долговременной стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений // Приборы.- 2010. - № 3. - с. 9 - 16.
6 Баринов И.Н., Волков В.С. Высокотемпературные полупроводниковые датчики давления с повышенной временной стабильностью // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.- 2011. - № 8. - с. 51 - 55.
7 Баринов И.Н., Волков В.С. Обеспечение долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков абсолютного давления // Приборы.- 2012. - № 9. - с. 29 - 35.
8 Баринов И. Н., Волков В. С., Евдокимов С. П., Кудрявцева Д. А. Использование высокоомных кремниевых тензорезисторов для повышения временной стабильности датчиков давления в системах управления и контроля // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 1 (7). - с. 65 - 74.
9 Волков В.С., Баринов И.Н. Автоматизация разработки диагностического обеспечения интеллектуальных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2009. - № 12. - с. 20 - 26.
10 Волков В.С., Фандеев В.П., Баринов И.Н. Использование информационных технологий для разработки диагностического обеспечения электронных устройств // Технологии приборостроения. - 2006. - № 4. - с. 21 - 23.
11 Волков В.С., Баринов И.Н. Использование системы Simulink при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2011. - . № 7. - с. 50 - 55.
References
1 Barinov I.N. Vysokotemperaturnye tenzorezistivnye datchiki davlenij na osnove karbida kremnija. Sostojanie razrabotok i tendencii razvitija // Komponenty i tehnologii.-2010.-№8.-S. 64-71.
2 Barinov I.N., Cypin B.V. Sostojanie razrabotok i tendencii razvitija vysokotemperaturnyh tenzorezistivnyh datchikov davlenij na osnove karbida kremnija // Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika.-2010.- №11.-S. 50-60.
3 Mokrov E.A. Barinov I.N. Razrabotka vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory.-2008.-№11.- S. 8-13.
4 Volkov V.S., Barinov I.N. Poluprovodnikovye datchiki davlenija na osnove rezonansnogo preobrazovatelja // Pribory.-2012.-№7.-S. 9-13.
5 Barinov I.N., Volkov V.S. Povyshenie dolgovremennoj stabil'nosti vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh datchikov davlenij // Pribory.- 2010. - № 3. - s. 9 - 16.
6 Barinov I.N., Volkov V.S. Vysokotemperaturnye poluprovodnikovye datchiki davlenija s povyshennoj vremennoj stabil'nost'ju // Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika.- 2011. - № 8. - s. 51 - 55.
7 Barinov I.N., Volkov V.S. Obespechenie dolgovremennoj stabil'nosti parametrov vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh tenzorezistivnyh datchikov absoljutnogo davlenija // Pribory.- 2012. - № 9. - s. 29 - 35. 29
29
Международный научно-исследовательский журнал •№ 7(38) ■ Август
8 Barinov I. N., Volkov V. S., Evdokimov S. P., Kudrjavceva D. A. Ispol'zovanie vysokoomnyh kremnievyh tenzorezistorov dlja povyshenija vremennoj stabil'nosti datchikov davlenija v sistemah upravlenija i kontrolja // Izmerenie. Monitoring. Upravlenie. Kontrol'. - 2014. - № 1 (7). - s. 65 - 74.
9 Volkov V.S., Barinov I.N. Avtomatizacija razrabotki diagnosticheskogo obespechenija intellektual'nyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory.- 2009. - № 12. - s. 20 - 26.
10 Volkov V.S., Fandeev V.P., Barinov I.N. Ispol'zovanie informacionnyh tehnologij dlja razrabotki diagnosticheskogo obespechenija jelektronnyh ustrojstv // Tehnologii priborostroenija. - 2006. - № 4. - s. 21 - 23.
11 Volkov V.S., Barinov I.N. Ispol'zovanie sistemy Simulink pri imitacionnom modelirovanii vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory.- 2011. - . № 7. - s. 50 - 55.
Галимов Р.Ш.1, Мусиенко Л.В.1, Науменко П.А.1, Некрасова О.Г.1, Самсонова Л.В.1, Шабалин М.В.2
ведущие специалисты ЗАО НДЦ НПФ «Русская лаборатория», 2ведущий специалист лаборатории
неразрушающего контроля СПбПУ
МЕТОДИКА СОПРЯЖЕННОГО ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОМАГИСТРАЛЕЙ
И КВАРТАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Аннотация
В статье рассмотрена проблема сопряженного теплогидравлического расчета тепломагистралей и внутриквартальных сетей. Разработана математическая модель, позволяющая однозначно связать все параметры и решить прямую задачу определения расходов и температур в расчетных узлах. Показано, что использование строгой математической модели позволяет осуществлять обоснованный выбор теплообменного оборудования, что приводит к значительной экономии затрат.
Ключевые слова: теплогидравлические расчеты, сопряженные расчеты, тепловые сети.
Galimov RSh.1, Musienko L.V.1, Naumenko P.A.1, Nekrasova O.G.1, Samsonova L.V.1, Shabalin M.V.2 :Lead specialists of ZAO NDC NPF «Russkaja laboratorija», 2lead specialist of SPbPU nondestructive testing laboratory THE METHOD OF THE COUPLED THERMOHYDRAULIC CALCULATIONS OF THE HIGH- AND LOW-
PRIORITY PIPELINES
Abstract
In the present paper there was considered the problem of coupled thermohydraulic calculation of the high- and low-priority pipelines. There was designed computational model, which allows balancing all the parameters and solving direct problem of the mass flow rates and temperatures defining at the junctures. It was shown that using of the strict mathematical model allows making a valid choice of the heat-exchange equipment. The last obstacle leads to the significant decreasing of the expenditures.
Keywords: thermohydraulic calculations, coupled calculations, heat network.
Режимы работы тепловых магистралей весьма разнообразны в связи с влиянием большого числа различных факторов. К их числу следует отнести величину расхода потребляемой абонентами горячей воды, параметры сетевой воды, настройку регулирующей арматуры на источнике тепловой энергии, участках магистрали и в тепловых пунктах, диаметры сопел элеваторов, реальная шероховатость труб, отложения накипи в трубках теплообменников и многие другие. Рассмотрим метод сопряженного расчета тепловой магистрали и квартальных сетей на примере закрытой системы теплоснабжения. Потребителями тепловой энергии являются системы отопления с зависимым присоединением и струйным смешением, а также потребители горячего водоснабжения (ГВС). Приготовление горячей воды для ГВС происходит в центральных (ЦТП) и индивидуальных (ИТП) тепловых пунктах при двухступенчатом смешанном присоединении систем отопления и ГВС (рис.1). В качестве средств автоматики используются регуляторы температуры по ГВС, регуляторы расхода для систем отопления отсутствуют.
Рис. 1 - Схема подключения потребителей тепловой энергии
При проектировании тепломагистрали теплогидравлический расчет производится в соответствии с методом заданных удельных потерь давления [1]. Фактически такой расчет является обратным, так как с его помощью производится определение диаметров участков магистрали и основных ответвлений по заданным в них линейным падениям давлений. Расходы сетевой воды в магистрали определяются максимальными тепловыми нагрузками и схемами присоединения абонентов. Площадь теплообменных поверхностей на тепловых пунктах выбирается по расчетной тепловой нагрузке ГВС. Характерные температуры потоков в тепловых пунктах в этом случае назначаются.
30
