CC BY
107
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рубцов ИВ., Нестеров В.Е., Рубцов В.И. Современная зарубежная военная микро- и мини-робототехника.// М икросистемная техника, №3, 2000.
2. Погалов А.И., Тимошенков В.П., Тимошенков С.П., Чаплыгин Ю.А. Разработка микрогироскопов на основе многослойных структур кремния и стекла.// Микросистемная техника, №1, 1999.
3. . ., . ., . ., . ., . ., . .
Особенности м икромеханических гироскопов.// Микросистемная техника, №4, 2000.
4. Каляев НА., Котов В.Н., Клиндухов ВТ., Кухаренко А.П. Микроэлектронные сенсорные системы: опыт создания и применения. // Микросистемная техника, №1, 1999.
5. Еремин ДМ., Мадыгулов Р.У.. Нейросетевой регулятор для управления динамическими объектами.// Интеллектуальные системы автоматического управления. Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина. М:ФИЗМАГЛИТ, 2001 г. 137-156с."
6. Лохин В.М., Манько С.В., Еремин ДМ.. Управление движением манипуляционных роботов на базе нейронных сетей.// Интеллектуальные системы автоматического управления. Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина. М:ФИЗМАГЛИТ, 2001 г. 137-156с.
7. Макаров КМ. Концептуальные основы организации интеллектуального управления сложными динамическими объектами.// Новые методы управления сложными системами. М: Наука, 2004, стр -19-31.
8. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько СВ., Романов МЛ. Методические основы аналитического конструирования регуляторов нечеткого управления.// Новые методы управления сложными системами. М: Наука, 2004, стр -32-59.
9. . ., . ., . ..
управления с ассоциативной памятью в условиях неопределенности.// Интеллектуальные системы автоматического управления. Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина. М:ФИЗМАГЛИТ, 2001 г. 207-216с.
10. Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Ивченко ВТ. Исследование способов реализации СБИС на основе ПЛИС, БМК и в виде заказных микросхем.// Известия вузов. Электроника. № 1, 2000. - С. 81 - 87.
11. Цыбин С.А., Быстрицкий А.В. Методы и средства интегральной технологии ПЛИС + БМК.// Электронная промышленность, 1994, № 4-5, стр.49 - 51.
УДК 537.226.33
В.М. Мухортов, Вас. М. Мухортов, С.В. Бирюков
Южный научный центр РАН, г. Ростов-на-Дону
НОВЫЙ ДАТЧИК ДИНАМИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК, ПОЛУЧЕННЫХ ИОННОПЛАЗМЕННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ* Введение
Практически все современные технические сооружения и аппараты - самолеты, корабли, автомобили, строительные и гидротехнические сооружения - представляют собой сложные системы. Как ожидается, многие системы, которые были построены двадцать или тридцать лет тому назад, не будут заменены в ближайшем будущем системами нового поколения. Стоимость обслуживания систем военного и гражданского назначения растет неожиданно быстро. Например, обслуживание самолетов обходится уже в четверть их стоимости и требуется от 500 до 1500 чело-
* Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 05-02-17191, № 05-07-08001.
веко-часов для осмотра структур, находящиеся внутри корпуса самолета. По данным администрации дорог США (FHWA) 25 % мостов оценены, как несовершенные, а восстановление их надежности потребует 7 миллиардов долларов в год в течение следующих двух десятилетий [1,2]. В таких системах, как горнодобываю-, , , -рекачивающие станции и т.д. (стоимостью более $100 миллионов), простой на профилактические и регламентные работы обходится чрезвычайно дорого, и повышение их рентабельности без систем автоматического мониторинга выглядит весьма проблематично. Уменьшить издержки за счет необоснованного списывания оборудования (по причине истечения срока эксплуатации) можно лишь используя данные мониторинга, объективно отображающего состояние конструкции. Кроме того, возрастает количество систем с длительным сроком эксплуатации (нефтепрово-, , ), на профилактический осмотр. Выход из строя таких систем приведет к техноген,
.
Неразрушающие системы диагностики, используемые в настоящее время в промышленности (акустическая тензометрия, многочастотная акустическая голография, акустическая эмиссия, ультразвуковая дефектоскопия, вихретоковая, магнитно-акустическая тензометрия, рентгенографическая, использование длинноволновых ультразвуковых Релеевских и волн Лэмба и т.д.), хорошо себя зарекомендовали при контроле на стадии изготовления отдельных узлов в заводских условиях и являются непрактичными для осмотра и обслуживания больших систем, объединяющих отдельные узлы, типа самолета. Более того, они не способны дать характеристику работоспособности системы в целом, оценивать техническое состояние и сигнализировать о необходимости вмешательства человека.
Все это стимулирует создание принципиально новых диагностических комплексов как составной части сложной системы, способных определять момент возникновения и степень повреждения, установления их влияния на надежность сис-
, , рекомендаций оператору в простой форме для принятия решения по дальнейшей эксплуатации. Вполне очевидно, что в этом случае необходима разработка новых подходов для непрерывного мониторинга функционирования сложной системы, обладающей предсказательной возможностью ее безопасного срока эксплуатации
[3]. Такие системы диагностики (Structural Health Monitoring -SHM) начали разрабатывать за рубежом с 2000 года (NASA Langley Research Center, Massachusetts Institute of Technology Cambridge, Los Alamos National Laboratory, Naval Research Laboratory).
Создание систем мониторинга сложных механических систем с предсказанием срока службы в настоящее время сдерживается отсутствием надежных сенсо-, . -
чило решение проблем создания анализирующей подсистемы при существенном от,
технологических методах и являются узким местом в создании новых диагности-.
основе индивидуальных конструктивных решений. Микроэлектромеханические сис-( ) , -можным использовать единые технологические методы для формирования сенсорных систем различных структур и назначений. В последние годы перспективной областью в этом новом направлении исследований стали наноразмерные сегнетоэлек-
трические пленки на различных подложках от металлов до диэлектриков. Большой интерес к этим объектам обусловлен открывающимися возможностями создания сенсорных устройств нового поколения. Эти устройства во многом основаны на понимании особенностей сегнетоэлектрического состояния в наноразмерных тонких пленках и новых явлениях, свойственных таким структурам.
- ,
электрического поля поляризацией, которая может быть переориентирована внешним электрическим полем. Движение в область наноразмерного состояния сегне-тоэлектриков ставит изучение взаимного влияния электрических, зарядовых и деформационных полей на фундаментальные свойства сегнетоэлектриков как наиболее актуальную задачу в научном и практическом плане, поскольку свойства в наноразмерных структурах могут радикально отличаться от гомогенных сегнетоэлектриков. Так как градиент механических напряжений - векторная величина, то наличие подобных напряжений можно использовать для создания поляризованного состояния в пленках. Причиной градиента напряжения в пленке является несовпадение в расположении атомов в двух атомных плоскостях, которые образуют поверхность границы раздела монокристаллической пленки и подложки.
Впервые сообщение о возможности создания устойчивого поляризованного состояния под действием неоднородных деформационных полей было сделано в
[4]. При переходе к наноразмерам этот эффект может усиливаться и приводить к преимущественному направлению поляризации, что позволит создавать в пленках естественно поляризованное состояние, которое будет устойчиво к изменению внешней температуры, а эффекты старения (свойственные индуцированной внешним полем и температурой поляризации) сведены к минимуму. Устойчивое поляризованное состояние необходимо для создания неохлаждаемых пироприемников, МЭМС с чувствительными сегнетоэлектрическими элементами, пленочных микродатчиков с чрезвычайно высокой температурной стабильностью. Использование такой естественной поляризации позволит создать пироприемные матрицы высокого разрешения и тактильные матричные датчики динамической деформации.
Второе направление в создании устойчивого поляризованного состояния в пленках связано с созданием многослойных наноразмерных структур, в которых будут чередоваться слои с различной температурой фазового перехода. В таких структурах естественная поляризация происходит под действием зарядов, закрепленных на границах раздела, а высокая термостабильность обеспечивается поочередной работой пленок соответствующего состава. Устойчивое поляризованное состояние создается путем закрепления зарядов на дефектах границы раздела, нанесением электродов с различной работой выхода или бомбардировкой заряженными частицами в процессе осаждения пленки.
Предварительный анализ показывает, что для очень тонких пленок Ь 100А роль механических деформаций в формировании фазового перехода может стать определяющей ввиду развития в системе пленка + подложка механической неустойчивости, качественно меняющей характер фазового перехода. Указанная неустойчивость может привести к расслоению системы на “упругие” домены, взаимодействие с поляризацией которых формирует структуру сегнетоэлектрических до. , частности, такие соображения. Известно, что в тонкой пластине (без свободных зарядов) сегнетоэлектрическое состояние возможно лишь при Ь > Ьс. При меньших, значениях Ь система находится в параэлектрической фазе даже при Т > Тс (Тс
- температура фазового перехода). Размер доменов d Ь при Ь > Ьс. С другой ,
L, -
.
Мировой опыт изготовления МЭМС основан на широком использовании кремния - дешевого и доступного материала. Однако ясно, что в ближайшие годы не произойдет реального скачка в сфере интеграции кремниевой микромеханики и технологии устройств обработки информации на кремнии. Историческим базисом развития микромеханики на кремнии является технология глубинного объемного , ,
кремния в жидкостных травителях. Данный процесс при маскировании поверхности кремниевой пластины позволяет осуществлять формирование фактически трехмерных структур в объеме пластины, при этом глубина протрава может составлять до 300-400 мкм. Количество принципов, на которых формируются датчики преобразования физических величин в электрические на основе использования кремния в качестве конструктивного материала не так уж много. В основном они сводятся к двум конструкциям: а) консольная или защемленная по концам балка, б) мембрана. На базе этих конструкций создаются различные акселерометры и датчи-.
В большинстве микромеханических акселерометров в качестве преобразователя механической деформации используется тензорезистивное либо емкостное детектирование. В основе работы тензорезистора лежит тензометриче-ский эффект - изменение электрического сопротивления полупроводника или металла при деформации. Он измеряется коэффициентом тензочувствительности
- отношением относительного изменения сопротивления тензорезистора к относительной деформации:
^ _ ДRf R _ ДЯ _ ЕДЯ
где l -база тензорезистора; A l - абсолютная деформация тензорезистора; E - модуль упругости тензорезистора; - напряжение проволоки; A R - приращение
; R- -
ние, которое выражается следующей зависимостью: R= р l/A здесь р - удельное ; A- .
Оба этих способа детектирования имеют серьезные недостатки. Тензорезистивное детектирование - температурно-чувствительное и предъявляет высокие требования к стабильности источников питания, а принцип детектирования по изменению емкости имеет весьма ограниченное применение. Пороговая чувствительность этих двух способов преобразования к относительной деформации (A l/l) ~5• 10-7.
Альтернативным методом этим двум способам является применение сегнето-электрических пленок в поляризованном состоянии. Использование сегнетоэлектри-ческих пленок может качественно расширить возможности МЭМС. Это связано, в первую очередь, с тем, что пороговая чувствительность сенсоров динамической деформации на основе сегнетоэлектрических пленок уменьшается до (A l/l) «10-9. Таким образом, чувствительность сенсоров с использованием сегнетоэлектрических пленок увеличивается на два порядка по сравнению с существующими аналогами.
, , -ники стабилизированного напряжения, так как они являются сенсорами генераторно. ,
- .
вибрационных датчиках с низким шумом для различных приложений, таких, как сбор геофизической информации, слежение за средствами передвижения и т.д. В общем эти датчики отличаются от классических акселерометров тем, что должны иметь очень низкий порог шума в требуемой полосе частот. На рис.1 показана конструкция геофизического акселерометра, который может иметь порог шума на уровне 100 н^Г ц в полосе частот шириной 1 кГц при десятикратном уменьшении размеров и веса по сравнению с существующими магнитными геофонами.
Рис.1
Такие геофоны можно изготавливать по интегральной технологии, а значит ,
исследованиях, но и в слежении за средствами передвижения, а также найдет широкое применение в различных областях, включая и военною технику.
Рис.2
Создание сенсора для измерения давления газов возможно, используя кремниевые балочные механические резонаторы, возбуждаемые с одной стороны балки сегнетоэлектрической пленкой за счет прямого пьезоэффекта пленочным вибратором на основе цирконата-титаната свинца. Колебания балки воспринимаются пленочным сегнетоэлектрическим конденсатором на другом конце балки за счет об. , -нию энергии (напряжение раскачки 2,5 мВ) и высокой чувствительности открываются большие возможности для создания сенсоров по измерению давления газов . , 25 -
ной 6 мкм на резонансной частоте 9,2 МГ ц с 90 фазовым сдвигом в приемной части имела нагруженную добротность более чем 3 000 при давлении 20 мТорр и 400 при атмосферном давлении. Конструкция балки приведена на рис.2. Необходимый для конкретного применения частотный диапазон механического резонанса
определяется геометрическими размерами, которые достаточно просто рассчитываются. Конструктивное исполнение МЭМС-структур с применением сегнетоэлек-трических пленок может быть чрезвычайно многообразным. Поэтому конструкции, в которых применяется принцип тензометрических измерений, можно использовать с чувствительным элементом на основе сегнетоэлектрической пленки. При этом получается значительный выигрыш в чувствительности при минимальных
.
На основе сегнетоэлектрических пленок возможно изготовление и отдельных чипов по интегральной технологии. Основу сенсора составляет сегнетоэлектрическая
плёнка РЪ(2г,Т1)03 (ЦТС) толщиной ~ 0,3 мкм, нанесённая методом ВЧ-распыления
[5] на подложку из металлической фольги толщиной 40 мкм. После нанесения на пленку верхнего алюминиевого электрода толщиной 0,1 мкм в пленке создается полевым и температурным воздействием устойчивое поляризованное состояние с величиной пьезомодуля ^3 = 1-10-10 Кл'Н-1. Датчик имеет токовые выводы и загермети-
400.
или точечной сварки. Конструкция датчика показана на рис.3.
верхний
электрод
------------
токовыводы _____^______
пленка с егнетоэле ктриче ск пя
герметтящш
подложка
Рис.3
Основные характеристики датчика:
Чувствительность к относительной деформации при минимальной
величине сигнала 10мкВ........................... ...... 10-9
Динамический диапазон деформации.. 150 dB.
Емкость................... .............800 рБ.
Диапазон частот........... ......10-4 - 10 8 Ш.
Диапазон рабочих температур - 190°С - 200°С
Размеры................ .....1 х 1 х 0,004 мм3
Масса (не более).... ..................10-3 g
По конструктивному исполнению такой тонкопленочный сегнетоэлектриче-ский датчик динамической деформаций включает в себя два достоинства: с точки зрения прочности и усталостных возможностей он подобен металлу, а по возможностям преобразования динамической деформации - сегнетоэлектрической пьезо-, -шие значения пьезомодуля. Малая масса, большой динамический диапазон, высокие рабочие частоты позволяют применять его для адекватной диагностики взры-, , , использовании других датчиков.
)ЄМЯ,
Рис.4
Использование таких сенсоров возможно как самостоятельно, так и в качестве чувствительного элемента более сложных конструкций. На рис.4 показано изменение деформации стального шарика диаметром 3 см при ударе по нему шарика диаметром 2мм. Пленочный датчик расположен на поверхности стального шара на расстоянии 3,5 см. от места удара. Время удара определялось по прохождению тока в момент соприкосновения стальных шаров.
Эмиссионный акустический сигнал, возникающий при появлении трещины, , , помощью двух линеек (сформированных из таких микродатчиков), расположенных в разных частях переборки. Координаты начала трещины и траекторию её движения можно определить методами пассивной эхолокации по разности фаз, приходящей на каждый элемент линейки от акустической волны, возникающей в устье .
пробоя жизненно важных для самолета зон.
При использовании большого количества датчиков возникают трудности с идентификацией обрабатывающим центром источника информации. Создание в линейке преобразователей дополнительных ячеек со специально сформированным направлением - спонтанной поляризацией - двоичного кода линейки будет способствовать идентификации датчика в общей системе сбора информации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Gorinevsky, D., Boyd, S., and Stein, G. Optimization-based tuning of low-bandwidth control in spatially distributed systems // American Control Conference. 2003. Vol. 3. P. 2658-2663.
2. Fanning, P. and Carden, E.P.. Experimentally validated added mass identification algorithm based on frequency response functions. // ASCE Journal of Engineering Mechanics. 2004. 130(9). P. 1045-1051.
3. Zimmerman D. C., Simmermacher T., KaoukM. Model Correlation and System Health Monitoring using Frequency Domain Measurements // Structural health monitoring. 2005. Vo.l 4(3). P. 213-236.
4. Бирюков С.В., Мухортое В.М., Головко Ю.И. и др. Тонкие сегнетоэлектрические плёнки
// -
ность. '1983. № 8. С. 47-53.
5. Mukhortov V.M. Golovko Y.I., Tolmachev G.N., Klevtzov A.N. The synthesis mechanism of complex oxide films formed in dense rf-plasma by reactive sputtering of stoichiometric targets // Ferroelectrics 2000. Vol. 247. № 1-3. P. 75-83.
