CC BY
48
10 Волков В.С., Баринов И.Н. Использование системы Simulink при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2011. - . № 7. - с. 50 - 55.
11 Васильев В.А., Громков Н.В.Устройство для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом. Заявка на изобретение №2009133752 от 08.09.2009г.
References
1 Mokrov E.A., Barinov I.N., Cibizov P.N. Poluprovodnikovye p'ezochuvstvitel'nye jelementy mikrojelektronnyh datchikov davlenij. Osnovy proektirovanija i razrabotki: ucheb. posobie - Penza: Izd-vo Penz. gos. un-ta, 2009. - 104 s.
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 Barinov I.N. Optimizacija parametrov poluprovodnikovyh chuvstvitel'nyh jelementov datchikov absoljutnogo davlenija // Pribory.-2009.-№4.-S. 47-51.
4 Gromkov N.V. Integrirujushhie razvjortyvajushhie preobrazovateli parametrov datchikov sistem izmerenija, kontrolja i upravlenija: monografija - Penza: Izd-vo Penz. gos. un-ta, 2009. - 244 s.
5 Barinov I.N., Volkov V.S. Obespechenie dolgovremennoj stabil'nosti parametrov vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh tenzorezistivnyh datchikov absoljutnogo davlenija // Pribory.- 2012. - № 9. - s. 29 - 35.
6 Barinov I.N., Fedulov A.V., Volkov V.S. Vysokotemperaturnye datchiki absoljutnogo davlenija na strukture «polikremnij -dijelektrik» s uluchshennymi metrologicheskimi harakteristikami // Datchiki i sistemy. - 2012. - № 10. - s. 2 - 6.
7 Volkov V.S., Barinov I.N. Poluprovodnikovye datchiki davlenija na osnove rezonansnogo preobrazovatelja // Pribory.- 2012. - . № 7. - s. 9 - 14.
8 Volkov V.S., Barinov I.N. Avtomatizacija razrabotki diagnosticheskogo obespechenija intellektual'nyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory.- 2009. - № 12. - s. 20 - 26.
9 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.
10 Volkov V.S., Barinov I.N. Ispol'zovanie sistemy Simulink pri imitacionnom modelirovanii vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory.- 2011. - . № 7. - s. 50 - 55.
11 Vasil'ev V.A., Gromkov N.V.Ustrojstvo dlja izmerenija davlenija na osnove nano- i mikrojelektromehanicheskoj sistemy s chastotnym vyhodnym signalom. Zajavka na izobretenie №2009133752 ot 08.09.2009g.
Вергазов ИР.1, Тареева Ю.А.2, Петрин В.А.3
'Соискатель, 2аспирант, Соискатель, Пензенский государственный университет ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ В ЧАСТОТУ
Аннотация
Рассмотрены конструктивные преимущества резонансных измерительных преобразователей механических величин и преобразователей давления с частотным выходным сигналом, выполненных с использованием МЭМС-технологий. Показаны преимущества применения монокристаллического кремния в качестве материала для создания микромеханическихрезонаторов..
Ключевые слова: МЭМС-технология, датчик давления, кремниевый резонансный преобразователь, частотный выходной сигнал.
Vergazov I.R.1, Tareeva Yu.A.2, Petrin V.A.3
'Applicant, 2 post graduate student, Penza State University
THE DESIGN FEATURES OF FREQUENCY MEASURING TRANSDUCERS FOR PRESSURE MEASUREMENT
Abstract
The constitutive advantages of MEMS-based resonant measuring transducers for mechanical quantities measurement and pressure transducers with frequency output signal are reviewed. The advantages of monocrystalline silicone for micromechanical resonator manufacturing are shown..
Keywords: MEMS technology, pressure sensor, silicone resonant transducer, frequency output signal.
В современной измерительной технике интенсивно применяются измерительные преобразователи, основанные на применении МЭМС технологий. Применяемые в большинстве современных датчиках давления емкостной и тензорезистивный принципы измерения известны уже много лет и подошли к своему функциональному пределу. Известные проблемы стабильности, сильная температурная зависимость характеристик ограничивают возможности датчиков на основе этих принципов и приводят к их удорожанию в свете постоянно растущих требований к их характеристикам [1 - 4]. Устойчивость к внешним воздействиям (температура и статическое давление) для традиционных чувствительных элементов ограничиваются дрейфом нуля из-за перекоса подвижной обкладки (для емкостного принципа преобразования) и существенная зависимость сопротивления полупроводниковых тензорезистивных пленок от температуры (для тензорезистивного принципа преобразования) [3,4].
Современный уровень развития МЭМС технологий позволяет применять измерительные преобразователи, основанные на явлении механического резонанса. В таких устройствах возбуждаются колебания чувствительного элемента с резонансной частотой, которая определяется свойствами материала и геометрии элемента. Под действием измеряемой физической величины изменяется амплитуда и (или) фаза резонансных колебаний, по которым количественно оценивают входную величину [5, 6].
Использование монокристаллического кремния оказывается наиболее предпочтительным с точки зрения получения высоких характеристик резонатора. Благодаря монокристаллической структуре кремний имеет высокую упругость и хорошую временную стабильность механических свойств. Кроме того, монокристаллический кремний не имеет внутренних механических напряжений, и это свойство сохраняется в процессе формирования резонатора, что, в свете высокой тензочувствительности, обеспечивает хорошую воспроизводимость параметров резонатора. Применение кремниевой технологии позволяет создавать высокодобротные колебательные системы [6].
При использовании кремниевого резонатора собственную частоту колебаний определяют всего два параметра: масса и геометрические размеры резонансного элемента. Масса резонатора неизменна, геометрические размеры и форма на 4 - 5 порядков менее подвержены влиянию температуры и статического давления, чем электрические характеристики (емкость, сопротивление.
Применение кремниевого резонатора позволяет обойтись без промежуточного аналого-цифрового преобразования (деформация непосредственно преобразуется в частоту выходного сигнала) в отличие от емкостного и тензорезистивного чувствительного элемента. При этом зависимость частоты выходного сигнала от давления является линейной, что упрощает схему обработки измерительного сигнала. Применение кремниевых резонаторов позволяет обеспечить основную погрешность не более 0,01 %, включая влияние нелинейности, повторяемости, гистерезиса, и стабильность выходного сигнала порядка 0,1 % в течение 10 лет. Кроме того, это позволяет упростить диагностирование и поиск неисправностей в информационно-измерительных системах на основе подобных датчиков и повысить надежность [7 - 9].
32
Большинство резонансных датчиков давления строится с использованием разделительных упругих элементов. Разделительные элементы обеспечивают оптимальные условия работы резонаторов, делают возможной вакуумизацию или герметизацию рабочей пластины, что повышает добротность и снижает старение резонатора.
В конце 80-х годов японская компания Yokogawa реализовала принципиально новый частотно-резонансный сенсор, названный DPHarp (Differential Pressure High Accuracy Resonant Pressure sensor) [5].
Конструкция чувствительного элемента выполнена в размерах десятков микрон в виде единого монокристалла кремния. В качестве упругого элемента используется кремниевая диафрагма, на которой расположены два чувствительных элемента. Чувствительные элементы-резонаторы расположены так, что их деформации отличаются по знаку при приложении разности давлений к мембране. Изменение собственной частоты резонаторов прямо пропорционально прилагаемому давлению.
Технология формирования резонаторов в вакуумированной капсуле использует ряд последовательно выполняемых процессов эпитаксиального выращивания и селективного травления. Давление в герметизированной полости составляет менее 0,133 Па, обеспечивая добротность резонатора более 50000 [5].
Конструкция кристалла чувствительного элемента кремниевого резонансного датчика давления представлена на рисунке 1.
Рис. 1 - Конструкция кристалла чувствительного элемента кремниевого резонансного датчика давления
Принцип работы преобразователя давления заключается в следующем. Резонатор размещен на мембране, вытравленной в кремниевой подложке с помощью жидкостного анизотропного травления кремния. Для повышения добротности колебаний и увеличения уровня выходного сигнала балка резонатора помещена в вакуумированную полость. В зависимости от знака приложенного давления мембрана деформируется, резонатор растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле передаются на вторую балку, при этом, вследствие эффекта электромагнитной индукции, в измерительном контуре возникает переменная ЭДС с частотой, равной частоте колебаний резонатора измерительного контура, которая усиливается и возвращается обратно на вход схемы, что приводит к саморезонансу (автоколебаниям) системы. Собственная частота такого ненагруженного резонатора составляет около 90 кГц, при этом на выходе чувствительного элемента получается цифровой (частотный) сигнал, пропорциональный величине измеряемого давления [5].
Недостатком резонансного преобразователя фирмы Yokogawa является низкая чувствительность, обусловленная тем, что сила Лоренца, возникающая только в одной из балок, обеспечивает колебание не только балки, по которой протекает переменный ток, но и второй балки, соединенной с первой балкой перемычкой и которая должна индуцировать возникающий во второй балке переменный ток в измерительную схему [9]. Таким образом, индуцированная электромагнитная сила выполняет работу по возбуждению колебаний в двух балках одновременно, что требует увеличения протекающего через первую колебательную балку переменного тока, что снижает чувствительность преобразования при заданном значении потребляемой мощности.
На рисунке 2 представлена усовершенствованная конструкция резонансного преобразователя давления, содержащего кремниевую мембрану, предназначенную для измерения давления, с расположенным на ней кремниевым резонатором, два постоянных магнита, обеспечивающих действие магнитного поля в плоскости резонатора в направлении, перпендикулярном продольной оси резонатора, резонатор выполнен в виде рамки, внутри которой на перемычках подвешена плоско-параллельная пластина с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой, которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен тензорезистор, обеспечивающий восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины [10].
1 - кремниевая мембрана, 2 - кремниевый резонатор
Рис. 2 - Конструкция резонансного преобразователя давления
33
На рисунке 3 изображен кремниевый резонатор.
Рис. 3 - Конструкция кремниевого резонатора
Конструкция содержит два постоянных магнита (3), обеспечивающих действие магнитного поля в плоскости резонатора (2) в направлении, перпендикулярном его оси. Резонатор (2) выполнен в виде рамки, внутри которой на перемычках (4,5) подвешена плоско-параллельная пластина (6) с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой (7), которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен тензорезистор (8), обеспечивающий восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины (6) [10].
Принцип работы преобразователя заключается в следующем. Измеряемое давление, воздействуя на плоско-параллельную пластину, изменяет резонасную частоту ее колебаний, вызываемых силами Лоренца, воздействующими на противоположные стороны плоско-параллельной пластины, со стороны постоянного магнита при пропускании через проводящую дорожку переменного тока, что в свою очередь вызывает изменение частоты колебаний перемычки с расположенным на ней тензорезистором, частота выходного напряжения на котором пропорционально изменению измеряемого давления.
Применение предложенных конструкций резонансных преобразователей возможно при измерении не только давления, но и других механических величин и позволяет повысить точность и стабильность характеристик средств измерений на их основе.
Литература
1 Баринов И.Н., Федулов А.В., Волков В.С. Высокотемпературные датчики абсолютного давления на структуре «поликремний
- диэлектрик» с улучшенными метрологическими характеристиками // Датчики и системы. - 2012. - № 10. - с. 2 - 6.
2 Баринов И.Н. Оптимизация параметров полупроводниковых чувствительных элементов датчиков абсолютного давления // Приборы.-2009. -№4.-С. 47-51.
3 Баринов И.Н., Волков В.С. Обеспечение долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков абсолютного давления // Приборы.- 2012. - № 9. - с. 29 - 35.
4 Мокров Е.А., Баринов И.Н., Цибизов П.Н. Полупроводниковые пьезочувствительные элементы микроэлектронных датчиков давлений. Основы проектирования и разработки: учеб. пособие - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - 104 с.
5 US patent 6,082,199. http://www.yokogawa.ru.
6 Волков В.С., Баринов И.Н. Полупроводниковые датчики давления на основе резонансного преобразователя // Приборы.-2012. - . № 7. - с. 9 - 13.
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 В.П. Фандеев, В.С. Волков Модели, методы и алгоритмы оптимизации диагностирования приборов.: Учебное пособие -Пенза: Изд-во ПГУ, 2007. - 76 с.
9 Волков В.С., Баринов И.Н. Использование системы Simulink при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2011. - . № 7. - с. 50.
10 Патент RU 2341815 (пр. 02.06.2010). Резонансный преобразователь давления / Баринов Н.И., Баринов И.Н.
References
1 Barinov I.N., Fedulov A.V., Volkov V.S. Vysokotemperaturnye datchiki absoljutnogo davlenija na strukture «polikremnij -dijelektrik» s uluchshennymi metrologicheskimi harakteristikami // Datchiki i sistemy. - 2012. - № 10. - s. 2 - 6.
2 Barinov I.N. Optimizacija parametrov poluprovodnikovyh chuvstvitel'nyh jelementov datchikov absoljutnogo davlenija // Pribory.-2009.-№4.-S. 47-51.
3 Barinov I.N., Volkov V.S. Obespechenie dolgovremennoj stabil'nosti parametrov vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh tenzorezistivnyh datchikov absoljutnogo davlenija // Pribory.- 2012. - № 9. - s. 29 - 35.
4 Mokrov E.A., Barinov I.N., Cibizov P.N. Poluprovodnikovye p'ezochuvstvitel'nye jelementy mikrojelektronnyh datchikov davlenij. Osnovy proektirovanija i razrabotki: ucheb. posobie - Penza: Izd-vo Penz. gos. un-ta, 2009. - 104 s.
5 US patent 6,082,199. http://www.yokogawa.ru.
6 Volkov V.S., Barinov I.N. Poluprovodnikovye datchiki davlenija na osnove rezonansnogo preobrazovatelja // Pribory.- 2012. - . № 7.
- s. 9 - 13.
34
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 V.P. Fandeev, V.S. Volkov Modeli, metody i algoritmy optimizacii diagnostirovanija priborov.: Uchebnoe posobie - Penza: Izd-vo PGU, 2007. - 76 s.
9 Volkov V.S., Barinov I.N. Ispol'zovanie sistemy Simulink pri imitacionnom modelirovanii vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory.- 2011. - . № 7. - s. 50.
10 Patent RU 2341815 (pr. 02.06.2010). Rezonansnyj preobrazovatel' davlenija / Barinov N.I., Barinov I.N.
Вергазов И.Р.1, Тареева Ю.А.2, Петрин В.А.3
1 Соискатель, 2аспирант, 3 соискатель, Пензенский государственный университет ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКА СИЛЫ МЕТОДОМ
КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Аннотация
Предложена конструкция чувствительного тензорезистивного элемента датчика силы. Методом конечных элементов определены зоны размещения тензорезисторов, обеспечивающие повышение чувствительности и линейности.
Ключевые слова: тензорезистивный датчик силы, зоны равной деформации, метод конечных элементов.
Vergazov I.R.1, Tareeva Yu.A.2, Petrin V.A.3
1 applicant, 2 post graduate student, 3 applicant, Penza State University OPTIMIZATION OF THE FORCE SENSOR CHARACTERISTICS BY THE FINIT ELEMENTS METHOD
Abstract
The design of the strain gage force sensor is proposed. The zone of strain gage placing that provide sensitivity and linearity increasing are defined by finite elements method.
Keywords: strain gage force sensor, zone of equal strain, finite elements method.
Чувствительные элементы (ЧЭ) датчиков служат для измерения физических величин, таких как сила, давление, крутящий момент и др. Точность, чувствительность и стабильность метрологических характеристик средств измерений определяются в основном именно свойствами ЧЭ.
Дополнительно к ЧЭ предъявляются требования: стойкости к воздействию влияющих величин, высокой временной стабильности характеристик и релаксационной стойкости, малых влияний дестабилизирующих факторов, например, температуры окружающей среды, изменений атмосферного давления, при условии, что эти параметры не являются измеряемыми величинами [1 - 6].
Типичная конструкция датчика силы стержневого типа состоит из цилиндрического ЧЭ, на наружной поверхности которого установлены тензорезисторы и компенсационные сопротивления. Достоинство стержневых ЧЭ заключается в простоте изготовления. Для таких элементов достаточно легко достигаются высокие классы точности выполнения геометрических размеров, чистоты обработки поверхностей. Кроме того, стержневой упругий элемент наиболее подходит для построения датчиков на высокие пределы измерения при ограниченной массе и габаритных размерах.
Одним из недостатков такого ЧЭ является невысокая чувствительность. Для увеличения чувствительности стержень выполняют в виде полого цилиндра. Изменение конструкции ЧЭ требует решения задачи оптимизации расположения элементов тензометрической измерительной цепи на упругих элементах УЭ с целью увеличения чувствительности и линейности функции преобразования.
Выходной величиной УЭ датчиков механических величин является линейное или угловое перемещение или деформация. Под перемещением будем понимать прогибы характерных точек УЭ в направлении, задаваемом направлением действия нагрузки. Под деформацией будем понимать перемещение точек, лежащих на поверхности УЭ.
Если УЭ выполнен в форме цилиндрического стержня и к нему приложена продольная растягивающая сила Fp, то под действием этой силы стержень получит удлинение Д1, которое в соответствии с законом Гука будет равно
А/
М-d F
S - E p
где S - сечение стержня; E- модуль упругости материала [7].
Вследствие неоптимального расположения тензоэлементов снижается точность измерения за счет непропорционального изменения сопротивлений плеч измерительной цепи, что в свою очередь приводит к повышению нелинейности.
Аналитический расчет деформаций для УЭ в виде стержня сложной геометрической формы является громоздким и может быть выполнен только приближенно можно Определить деформационные характеристики исследуемого УЭ с учетом конструктивных особенностей можно при помощи численного моделирования методом конечных элементов (МКЭ).
В рассматриваемом случае исследовались деформации УЭ в виде стержня с двумя отверстиями, одно из которых проходит через центр боковой грани УЭ и является сквозным, а второе расположено в основании УЭ и углубляется внутрь УЭ на конструктивно заданную глубину. На двух других плоских гранях УЭ расположены элементы измерительной цепи.
Для оптимизации расположения элементов тензометрической цепи на поверхности УЭ необходимо определить зоны максимальных равных по модулю и противоположных по знаку деформаций на плоской грани стержневого УЭ тензорезисторного датчика силы.
Для анализа полученных моделей использовалась программа моделирования с помощью МКЭ Comsol, позволяющие рассчитывать и анализировать физические процессы, протекающие при деформациях УЭ. Распределение механических напряжений по Мизесу на поверхности УЭ показано на рисунке 1.
Результатом моделирования стало получение набора точек на поверхности боковой плоской грани УЭ с соответствующими этим точкам относительными деформациями боковой грани УЭ.
35
