CC BY
24
Международный научно-исследовательский журнал •№ 7(38) ■ Август
9. Eco-friendly construction materials for repair, reconstruction and modernization of real estate Part 2 "Technology and the organization of production of construction materials and products" (Manual). / Bolsherotova L.V., Bolsherotov L.A., Kolchigin M. A. - M.: FGBOU VPO MGUP, - M.: 2014. - 318s
10. Eco-friendly construction materials for repair, reconstruction and modernization of real estate Part 3 "Quality control of branch production" (Manual)/Bolsherotov L.V., Bolsherotov L.A., Kolchigin M. A., Kharkov I.E. - M.: FGBOU VPO MGUP, - M.: 2014. - 254s.
11. Bolsherotov, A.L. Water use and ecology. A melioration role in ensuring food and ecological security of Russia: international scientific and practical conference, H 1./Bolsherotova L.V., Bolsherotov A.L. / - M.: FGOU VPO MGUP, 2009. S.396-402
12. Ecology. Theoretical aspects of the accounting of interaction of an element of environment and system in general: Social and economic and environmental problems of a rural and water management: international scientific and practical conference. P.1 "Complex arrangement of a landscape" / L.V. Bolsherotova, A.L. Bolsherotov - M.: FGBOU VPO MGUP,
2010. Page 68-71
13. Bolsherotov, A.L. Complex ecological safety of construction. Construction materials. The MANUAL to practical (seminar) training on discipline "Technology and the organization of production of construction materials and products" for students of the specialty "Management of the Organization" of-080507 specializations "A business management in the sphere of construction materials" - 080507.57/L.V. Bolsherotova, A.L. Bolsherotov - M. BARK-91, 2013. 34s.
14. Bolsherotov, A.L. Complex ecological safety of construction. Construction materials. The MANUAL to independent work under control of the teacher of discipline "Technology and the organization of production of construction materials and products" for students of the specialty "Management of the Organization" of-080507 specializations "A business management in the sphere of construction materials" - 080507.57/L.V. Bolsherotova, A.L. Bolsherotov - M. BARK-91, 2013. 99s.
15. Bolsherotova, L.V. Eco-friendly construction materials for repair, reconstruction and modernization of real estate Chast1 "Fundamentals of materials science": Educational posobiye./L.V. Bolsherotova, A.L. Bolsherotov M.: FGBOU VPO MGUP, 2013. - 279s
Волков В.С.
Доцент, кандидат технических наук, Пензенский государственный университет МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ
ДАТЧИКОВОЙ АППАРАТУРЫ
Аннотация
В статье описано использование программы схемотехнического моделирования для автоматизации разработки диагностических моделей интеллектуальных полупроводниковых датчиков и их узлов.
Ключевые слова: схемотехническое моделирование, ориентированный граф, диагностическая модель,
интеллектуальный датчик.
Volkov V.S.
Associate professor, PhD in technical sciences, Penza State University THE METHODS OF DIAGNOSTIC MODELS DEVELOPMENT FOR SENSOR'S ELECTRONIC EQUIPMENT
Abstract
The article describes using circuit simulation program for developing the diagnosis models of smart sensors and its units. Keywords: circuit simulation, oriented graph, diagnosis model, smart sensor.
Датчики давления, эксплуатирующиеся в настоящее время, должны иметь высокие метрологические и эксплуатационные характеристики, что требует применения при изготовлении чувствительных элементов датчиков новых материалов и современных конструктивно-технологических методов [1-4]. Вместе с тем наблюдается усложнение структуры датчиков, связанное с увеличением их функциональности [4, 5].
Одним из наиболее перспективных направлений развития средств измерения является применение интеллектуальных датчиков (ИД). Основной функциональной особенностью интеллектуального датчика является возможность обработки измерительного сигнала непосредственно в зоне измерения, например, температурная компенсация выходного сигнала датчика дасления, линеаризация функции преобразования и т.д. [6]. Для этого в одном корпусе с первичным преобразователем (чувствительным элементом датчика) размещается схема обработки измерительного сигнала, состоящая в общем случае из аналоговых и цифровых устройств. Усложнение функциональности таких датчиков при одновременной миниатюризации делает актуальной задачу поддержания их работоспособности, для чего необходимо разрабатывать диагностическое обеспечение [6, 7].
Разработки диагностического обеспечения электронных узлов датчиковой апппаратуры требует трудоемкой разработки диагностических моделей, которая может быть автоматизирована применением математического аппарата теории множеств и теории графов [6 - 8].
Диагностическая модель функционально завершенного узла ИД может быть задана бинарными отношениями на множествах параметров сигналов в виде двудольного ориентированного графа
G = (E, U, ф) , (1)
где e = {ej} - множество видов технического состояния; j = о, n, U = {щ} - множество элементарных проверок;
i = 1, m, Uz - множество результатов проверок. Множество E содержит отказы E0 и работоспособное состояние е0 [6, 7].
24
Международный научно-исследовательский журнал •№ 7(38) ■ Август
Ориентированный граф (орграф) (1) удовлетворяет условиям, которые формально записываются в следующем виде:
ф-\и){]ф-\и1)=Е
^1(и°)П^1(и1) = 0; (2)
ф(в1) фф{еГ)
где ф^фы0), ф^фи1) - полные прообразы, а ф(ег-), фф^.) - образы соответствующих вершин; 0 - символ пустого множества; i = о, |e 0| -1; j = i+1, |e0| .
Множества ф (ej), составляющие образы отказов, различающихся с работоспособным состоянием, не пустые, то есть выполняется неравенство
|фо {ej )|> 0 (3)
где ф0.Е0 ^ и0.
Алгоритм разработки диагностического обеспечения электронного узла ИД представлен на рисунке 1 [6, 7].
Рис. 1 - Алгоритм разработки диагностического обеспечения электронного узла ИД
Наиболее трудоемким и сложным этапом при построении диагностической модели является построение моделей составных частей объекта диагностирования, так как аналоговые электронные устройства описываются в общем случае системой интегродифференциальных уравнений [6, 7]. Решение такой системы с учетом входных и выходных сигналов позволяет определить зависимости выходных параметров объекта диагностирования от входных, при этом решение такой системы численными методами имеет большую вычислительную сложность и трудоемкость, а при большой размерности системы делает нахождение зависимости выходных параметров от входных практически невозможным [7].
Сложность электронных узлов современной датчиковой аппаратуры диктует необходимость использования для построения моделей составных частей узлов математического моделирования с применением специализированных программ схемотехнического моделирования. Для моделирования составных частей была использована программа Micro-Cap, которая позволяет сохранять результаты моделирования в виде текстовых файлов, удобных для последующей автоматизированной обработки [7]. Программа Micro-Cap также позволяет моделировать одиночные и кратные функциональные и параметрические отказы.
Схема алгоритма моделирования составных частей объекта диагностирования в виде электронного узла представлена на рисунке 2. 25
25
Международный научно-исследовательский журнал •№ 7(38) ■ Август
*
Сх ем от ехннч е ско е м од е лнр о ванне эл ектр о иного у стр онства
Получение из текстового файла результатов моделирования зависимости вида Rj=f(Fj)
Анализ полуденной зависимости
Занесение результатов анализа в модель устройства
Выдача пользователю диагностической модели
Рис. 2 - Методика автоматизированной разработки диагностической модели составной части электронного узла (Я, -реакция, F, - воздействие (значение входного сигнала устройства)
Таким образом, применение программ схемотехнического моделирования позволяет получать диагностические модели ИД и отдельных электронных узлов в его составе, а также моделировать одиночные отказы, что позволит при обработке выходного сигнала получать кроме информации об измеряемой физической величине информацию о техническом состоянии изделия.
Литература
1 Мокров Е.А. Баринов И.Н. Разработка высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы-2008 - №11.- С. 8-13.
2 Баринов И.Н. Высокотемпературные тензорезистивные датчики давлений на основе карбида кремния. Состояние разработок и тенденции развития // Компоненты и технологии.-2010.-№8.-С. 64-71.
3 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.
4 Баринов И.Н., Волков В.С., Кучумов Е.В. Струнный автогенераторный измерительный преобразователь на основе пьезоструктуры // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль., №2. 2014. С.58-65.
5 Волков В.С., Баринов И.Н. Полупроводниковые датчики давления на основе резонансного преобразователя // Приборы.-2012.-№7.-С. 9-13.
6 Волков В.С., Баринов И.Н. Автоматизация разработки диагностического обеспечения интеллектуальных полупроводниковых датчиков давления // Приборы. - 2009. - № 12. - с. 20 - 26.
7 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.
8 Волков В.С., Баринов И.Н. Использование системы Simulink при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2011. - . № 7. - с. 50 - 55.
References
1 Mokrov E.A. Barinov I.N. Razrabotka vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory .-2008.-№11.- S. 8-13.
2 Barinov I.N. Vysokotemperaturnye tenzorezistivnye datchiki davlenij na osnove karbida kremnija. Sostojanie razrabotok i tendencii razvitija // Komponenty i tehnologii.-2010.-№8.-S. 64-71. 26
26
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
