CC BY
59
681.586.712 - 002.532
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ НАНО-И МИКРОСИСТЕМ И ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ НА ИХ ОСНОВЕ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ПОВЫШЕННЫХ ВИБРОУСКОРЕНИЙ
Белозубов Е.М., д.т.н., Белозубова Н.Е., аспирант
Пенза, ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений»,
440026, ул. Володарского, 8/10
Датчики давления являются важнейшими элементами информационноизмерительных и управляющих систем, а также систем мониторинга, контроля и диагностики современной ракетной и авиационной техники. Необходимость измерения давлений непосредственно в местах протекания высокоэнергетических процессов ракетных двигателей предъявляет высокие требования к устойчивости датчиков при влиянии критичных воздействующих факторов: высоких уровней виброускорений в широком диапазоне частот и широкого диапазона нестационарных температур. В настоящее время тонкопленочные тензорези-сторные датчики давления (ТТДД) обладают оптимальным сочетанием метрологических, конструктивных, технологических характеристик с наивысшей устойчивостью к воздействию вышеназванных факторов по сравнению с датчиками аналогичного назначения других принципов преобразования. Поэтому ТТДД обеспечивают измерения большинства параметров давления отечественных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). В то же время, совершенствование ЖРД сделало актуальным дальнейшее повышение устойчивости ТТДД к воздействию критичных факторов.
ТТДД представляют собой гетерогенные структуры, использующие в качестве чувствительных элементов тонкоплёночные тензорезисторные нано- и микроэлектромеханические системы (НиМЭМС) [1]. Критичными элементами НиМЭМС и датчиков в целом к воздействию повышенных виброускорений являются выводные проводники, соединяющие контактные площадки тензост-руктуры НиМЭМС с ее гермовыводами [2, 3, 4]. Повышенные виброускорения приводят к разрушению критичных элементов и прекращению функционирования датчиков. Кроме того, особенностью работы ТТДД является то, что недостаточная устойчивость критичных элементов к воздействию повышенных виброускорений приводит к появлению дополнительной температурной погрешности, вызванной влиянием изменения нестационарной температуры, возникающей в результате внутреннего и наружного трения этих элементов. В связи с этим повышение виброустойчивости НиМЭМС одновременно решает задачу уменьшения влияния нестационарных температур, возникающих при повышенных виброускорениях [3, 4, 5].
Известные решения не обладают требуемой виброустойчивостью, так как при воздействии на ТТМЭМС повышенных виброускорений выводные проводники подвергаются воздействию не только этих виброускорений, но и дополнительных усилий, вызванных различными перемещениями в местах присоединения выводных проводников к контактным площадкам тензочувствительной схемы и контактам колодки. Поэтому наиболее частыми местами разрушения
проводников являются места присоединения проводников к контактам колодки или контактным площадкам тензочувствительной схемы [2, 3, 4].
Задачей предлагаемого решения является повышение виброустойчивости датчиков давления за счёт уменьшения различного перемещения выводных проводников в местах их присоединения к контактным площадкам тензочувствительной схемы и контактам колодки и за счёт уменьшения отношения выходного сигнала датчика от воздействия виброускорений к выходному сигналу от воздействия номинального измеряемого давления при помощи повышения чувствительности датчика к измеряемому давлению.
Разработанная НиМЭМС (рисунок 1) содержит цилиндрический корпус 1, упругий элемент (УЭ) 2 в виде выполненной за одно целое с цилиндрическим опорным основанием 3 жёсткозащемлённой мембраны 4, на которой сформирована тензочувствительная схема 5 с тензорезисторами 6 и контактными площадками 7, и соединяющие контактные площадки 7 и контакты колодки 9 выводные проводники 10, частично расположенные по цилиндрическим поверхностям, соединяющим плоскости контактных площадок и плоскости поверхностей контактов колодки. Тензорезисторы 6 с контактными площадками 7 изолированы от УЭ при помощи диэлектрической пленки 13 [6].
Тензорезисторы 6 размещены на периферии мембраны между контактными площадками 7. На опорном основании УЭ выполнено цилиндрическое утонение 11, образующее на опорном основании выступ 12 в виде цилиндрического кольца. Одно из его оснований находится в плоскости поверхности мембраны, на которой размещена тензочувствительная схема 5. Размещение тензо-резисторов 6 на периферии мембраны 4 позволяет повысить чувствительность датчика к измеряемому давлению за счёт увеличенных (до 2 раз) деформаций от измеряемого давления на периферии мембраны 4 по сравнению с деформациями в других областях мембраны [6].
Повышение чувствительности к измеряемому давлению уменьшает соотношение выходного сигнала датчика от воздействия виброускорений к выходному сигналу от воздействия номинального измеряемого давления, а, следовательно, относительная погрешность от воздействия виброускорений будет уменьшена. Кроме того, размещение тензорезисторов 6 на периферии мембраны 4 позволяет разместить контактные площадки 7 непосредственно под контактами 9 колодки 8 без использования дополнительных контактных площадок и выводных проводников, расположенных на поверхности тензочувствитель-ной схемы, что повышает виброустойчивость.
Так как на опорном основании 3 УЭ 2 выполнено цилиндрическое утонение 11, то под воздействием виброускорений места присоединения выводных проводников 10 к контактным площадкам 7 тензочувствительной схемы 5 вследствие отсутствия жёсткой связи мембраны 4 и корпуса 1 имеют перемещения относительно корпуса 1. Фаза этих перемещений при частотах виброускорений меньших собственных частот элементов датчика (что является известным условием работоспособности конструкций при воздействии виброускорений) совпадает с фазой перемещений мест присоединения выводных проводников 10 к контактам 9 колодки 8 [7].
В результате этого уменьшаются различия перемещений выводных проводников в местах их присоединения к контактным площадкам 7 тензочувстви-тельной схемы 5 и контактам 9 колодки 8, а, следовательно, уменьшаются дополнительные усилия, вызванные рассматриваемыми перемещениями, и повышается виброустойчивость датчика.
Выполнение на опорном основании 3 выступа 12 позволяет обеспечивать одинаковое перемещение выводных проводников в местах их присоединения к контактным площадкам 7 тензочувствительной схемы 5 и контактам 9 колодки 8 при больших толщинах цилиндрического утонения 11 (для сохранения необходимой его прочности при воздействии давления) вследствие увеличения виброперемещений за счёт массы выступа 12. Выступ 12 выполнен в виде цилиндрического кольца, так как только в этом случае достигается равномерное влияние на величину виброперемещений по всем направлениям, перпендикулярным продольной оси датчика.
При этом, одно из оснований выступа 12 находится в плоскости поверхности мембраны 4, на которой размещена тензочувствительная схема 5, для обеспечения максимального влияния выступа 12 на величину виброперемещений. Если одно из оснований выступа 12 будет находиться ниже плоскости поверхности мембраны 4, на которой размещена тензочувствительная схема 5, то влияние выступа 12 на величину виброперемещений будет меньше вследствие уменьшения расстояния от выступа 12 до места закрепления УЭ 2 в корпусе 1. Определение оптимальных соотношений размеров проведём из следующих соображений. Наиболее опасным направлением является воздействие виброускорений в направлении перпендикулярном длинам контактов колодки и УЭ. Рассмотрим контакт колодки при воздействии виброускорений как консоль с равномерно распределенной по длине выступающей части контакта нагрузкой, вызванной воздействием виброускорений. Интенсивность этой нагрузки определим в соответствии со вторым законом Ньютона
qK = 4-1D jkWk , (1)
где DK - диаметр контакта колодки; Wk - величина виброускорений, воздействующих на контакт.
Тогда в соответствии с [7], прогиб на конце консоли (т. е. в месте присоединения выводного проводника к контакту колодки) будет равен
/к = л4 К )■1, (2)
где /к - длина контакта колодки; Ек - модуль упругости материала кон-
такта колод ки; 1ZK = 64-1 nD^ - момент инерции.
Подставляя значения интенсивности вибрационной нагрузки и момента инерции в выражение (2), получим
/к = qA4 К !ZK У1 = 4-1 nD2 yKWA464f8EvnD4 ]= 2ук /k4W,
Е D4
K K
- 1
(3)
где ук - плотность материала контакта колодки.
При воздействии виброускорений на УЭ рассматриваем его находящимся под воздействием суммы равномерно распределенной по длине утончённой части нагрузки, вызванной воздействием виброускорений, и приложенной к не-
закрепленному краю консоли сосредоточенной нагрузки, вызванной воздействием виброускорений на присоединенную массу мембраны и выступа. Тогда прогиб незакрепленного торца УЭ, на котором размещены контактные площадки тензочувствительной схемы, при воздействии виброускорений будет равен
/э = qlэ4 )- > + (Мм + Мв )l№ (3E, 1а Г (4)
где qэ - интенсивность равномерно распределённой нагрузки на УЭ, вызванной воздействием виброускорений; Еэ - модуль упругости материала УЭ;
1э - длина деформируемой под воздействием виброускорений части УЭ; 12э -момент инерции УЭ; Мм - масса мембраны; Мв - масса выступа.
Интенсивность равномерно распределённой нагрузки на УЭ, вызванной воздействием виброускорений определяется аналогично выражению (1)
qэ = 0,25n(D2 -4)уэЖэ = 0,25nD2(1 - d2D-2^W,, (5)
где Dэ - наружный диаметр утончения УЭ; dэ - внутренний диаметр опорного основания УЭ; уэ - плотность материала УЭ.
Учитывая незначительное расстояние от контактов колодки до поверхности тензочувствительной схемы и высокую жёсткость корпуса датчика, необходимость которой будет пояснена далее, принимается, что виброускорения, воздействующие на контакты колодки, равны виброускорениям, воздействующим на УЭ, то есть Жк =Жэ. Для устранения различного перемещения мест присоединения выводных проводников к контактным площадкам тензочувствитель-ной схемы и контактам колодки необходимо равенство прогибов контактов и УЭ при воздействии виброускорений (/к = /э). Масса мембраны определяется выражением
Мм = °,25лТэ dэ Им, (6)
где Нм - толщина мембраны. Масса выступа определяется выражением
Мв = 0,25лУэ (D,2 - DЭ)hв, (7)
Ь
где Dв - диаметр выступа УЭ; Нв - толщина выступа.
Учитывая что 12э = 64-1 nD4(1 - d4 D;4), после преобразований получим /э =2уэ1эЕэ (D-2 + dЭ)-1Wэ + 16^э2^ + D - D2^ ] 1э [зЕэ (DЭ - dЭ,)\-Wэ. (8)
Приравнивая выражения (4) и (7), получим соотношение для элементов конструкции датчика, при котором обеспечивается равенство виброперемещений контактов колодки и контактных площадок тензочувствительной схемы
2Ук1кЕк-Ч2 = 2уэ1э4Еэ--1р| + d|)-1 +16[y3d32hM + (DB2 -Dэ2)y3hв] l|[зЕэ(D* -d^. (9) Решая полученное уравнение четвертой степени относительно Dэ, и учитывая, что его величина должна быть вещественна и положительна, получим соотношение для элементов конструкции
Dэ={3уэ Ек 1э4 DK2 +[9y2 Ек21э8 DK4+36у2 Е2/^ 4 +12укУэ Ек Еэ D2lK4l3(8d 2 И„+
+ 8Dв2 Ив - 8d^ И, - 3d э1э )]°Л°,5(6Ук ЕЛ)
/4\ - 0,5
(1°)
Определение размеров в полученном соотношении целесообразно проводить методом последовательного приближения. В случае, если величина на-
ружного диаметра утончения УЭ не соответствует условиям обеспечения прочности при воздействии виброускорений или измеряемого давления, то, изменяя диаметр и толщину выступа УЭ, добиваются соответствия размеров датчика соотношению с обеспечением необходимой прочности. Для эффективной работы НиМЭМС необходимо, чтобы выступ опорного основания при воздействии, даже максимальной величины виброускорений, перемещался внутри колодки без ограничений, так как в противном случае соударение выступа и колодки приведёт к различной величине виброперемещений УЭ и контактов колодки. Это условие будет соблюдено, если внутренний диаметр колодки будет больше диаметра выступа на удвоенную величину виброперемещений выступа даже при воздействии максимальных виброускорений
D
вн
> DB + 2 /;
э max
(11)
где Dm - внутренний диаметр колодки.
Тогда в соответствии с выражением (8) виброперемещения УЭ при воздействии максимальных виброускорений будут равны
Л
max
= 2тэ?э4 Еэ J( D; + d э)-|Г_
+ 16[Тэdэh + D -D;)1эк] /э[зЕэ(D^J -d34)]-lWmax. (12)
где Wmax - максимальная величина виброускорений.
Проведя необходимые преобразования, получим необходимое соотношение для внутреннего диаметра колодки [6]
Dвн > Dв + 4Y3Wmax{3/34(D^ -d^ + 8[dэ2км + (D^ -Dlh] /Э3}[3ЕЭ(D4 -d4)]-1. (13)
Для обеспечения соотношения (10) необходимо минимальное влияние корпуса на величину виброперемещений контактов колодки. Это условие будет выполняться, если величина виброперемещений УЭ будет существенно больше виброперемещений корпуса в месте закрепления колодки [6]
/э >> /кор . (14)
Виброперемещения УЭ определяются по выражению (8). Виброперемещения корпуса можно определить по аналогии с первой частью выражения (8)
(15)
4 2 2 ________________1
/кор _ Yкор/кор[Екор (Dкор +dкор )] WI
кор
где укор - плотность материала корпуса; l кор - длина корпуса; Екор - мо-
дуль упругости корпуса; D^ - наружный диаметр корпуса; d^ - внутренний диаметр корпуса; W^ - величина виброускорений, воздействующих на корпус датчика.
Подставляя выражения (8) и (15) в соотношение (14), и принимая, =W3, получим необходимое соотношение [6]
2уэ{3/э4(D3 -d2) + 8[d3км + D -Dэ2)йв] /э3}[3Еэ(D4 -d4)]- >>
4 2 2 _1
>> У кор /кор [ Екор ( Dкор +dкор )г1. (16)
Для обеспечения соотношения (10) необходимо минимальное влияние опорного основания на участке без утончения на величину виброперемещений УЭ. Это условие выполняется, если величина виброперемещений УЭ, определяемая утонением УЭ, будет существенно больше виброперемещений опорного
основания на участке без утонения в месте перехода опорного основания в утонение
/э >> /о , (17)
где /о, - виброперемещения опорного основания на участке без утонения.
Подставляя выражения (8) в соотношение (17), и определяя величину виброперемещений опорного основания на участке без утонения по аналогии с выражением (15), после преобразований получим оптимальное соотношение для размеров элементов ТТМЭМС [6]
2{3l4(D2 -d^ )+8[d э2 км +(D2 -Dl)h„ ] /2}[3( D4 -d4)]"1 >> /4[( D2X Ч2)]"1, (18)
где Dэо - наружный диаметр опорного основания УЭ на участке без
утончения; 1о- длина опорного основания на участке без утонения.
Полученные соотношения связывают размеры корпуса, УЭ и контактной колодки, при которых в случае воздействия виброускорений обеспечиваются одинаковые перемещения выводных проводников в местах их присоединения к контактным площадкам тензочувствительной схемы и контактам колодки, а, следовательно, повышается виброустойчивость датчика.
Таким образом, условия минимизации влияния виброускорений на ТТДД с выводными проводниками, соединяющими контактные площадки и контакты колодки, размещённые перпендикулярно поверхности УЭ, можно сформулировать в следующем виде [6]. Тензорезисторы должны быть размещены на периферии мембраны между контактными площадками, а на опорном основании УЭ необходимо выполнить цилиндрическое утонение, образующее на опорном основании выступ в виде цилиндрического кольца, одно из оснований которого находится в плоскости поверхности мембраны, на которой размещена тензо-чувствительная схема, причём размеры УЭ, контактной колодки и корпуса нужно выбирать из соотношений
Dэ = {3Уэ Ек 1э4 DK2 + [9y2 Е2/,8 D4 + 36у;2 E2jl d4 + 12укУэ Ек Еэ D2/4^3^2 k„ +
+ 8D2h.t - 8d|ht - 3d2/э )]0,5 }0,5 (6укЕэ/4)- 0,5,
Dвн > DB + 4y3Wmax{3/34(D2 -d32) + 8[d2hM + (DB2 -D2)hB] /2}[3E3(Dэ4 -d34)]-\
2уэ{3/4(D2 -d2) + 8[d^км + (D2 -D2^] /э3![3Еэ(D4 -d4)]-1 >>
>> УкорІкор[Екор (Dкор + dкор )] -1, (19)
2{3/4(D2 -d2) + 8[d^км + D -D3 )кв] /2![3(D4 -d4)]- >> /4[(d2 + d2)]"1.
В результате испытаний серийных образцов ТТДД Вт212А1, изготовленных с применением НиМЭМС в соответствии с предлагаемым решением, с использованием в качестве плоских выводных проводников полос из золота Зл 999,9, традиционно применяемых для вибро-и термоустойчивых НиМЭМС, установлено, что эти датчики работоспособны при воздействии максимально достижимых виброускорений до 25000 мс" в широком частотном диапазоне [6]. При этом погрешность датчиков Вт212А.1 от воздействия виброускорений в среднем в 5 раз меньше аналогичной погрешности ТТДД Вт212, изготовленных в соответствии с ранее известными решениями и выдерживающих воздействие
2
виброускорений до 6000 мс" . Преимуществом предлагаемого решения является также то, что повышение виброустойчивости достигнуто без изменения габа-ритно"массовых характеристик датчика.
1 Белозубов Е. М., Белозубова Н.Е. Тонкоплёночные тензорезисторные датчики давления - изделия нано- и микросистемной техники // Нано- и микросистемная техника - 2007. - №2. 12. - С. 49 - 51.
2 Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Повышение устойчивости МЭМС-структур тонкопленочных датчиков к воздействию виброускорений и температур // Нано-и микросистемная техника. - 2008. - № 2. - С. 63 - 66.
3 Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е Повышение устойчивости датчиков давления к воздействию виброускорений и нестационарных температур // Датчики и Системы. - 2008. - №. 4. - С. 42 - 45.
4 Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е Васильев В. А. Микроэлектромеханические системы тонкопленочных датчиков давления для высоких температур и виброускорений // Автоматизация и современные технологии. - 2008. - № 10. -
С. 33 - 37.
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 Белозубов Е.М., Блинов А.В., Козин С. А. Белозубова Н.Е. Патент РФ № 2344389. Тонкопленочный датчик давления. Опубл. 20.01.09. Бюл. № 2.
7 Тимошенко С.П. Сопротивление материалов, т. 1: Пер. с англ. - М.: Изд-во Наука, 1965. - 363 с.
Аннотация
В статье рассмотрены вопросы повышения вибростойкости тонкопленочных нано -и микроэлектромеханических систем и датчиков давления на их основе.
The vibratione proof lead-to-pad bonds of thin-film nano- and microelectromechanical systems (NaMEMS) and pressure sensors on the base is considered.
Ключевые слова
Тонкопленочная нано -и микроэлектромеханические системы, датчик давления, вибрация, температура.
Key words: thin-film nano-and microelectromechanical systems (NaMEMS), pressure sensor, vibration, temperature,.
Сведения об авторах
Белозубов Евгений Михайлович, д.т.н., нач. группы, автор более 300 печатных работ, среди которых более 170 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Область научных интересов: исследование и разработка Ни-МЭМС, а также датчиков давления на их основе для экстремальных условий эксплуатации в ракетно-космической и авиационной технике.
Белозубова Нина Евгеньевна, инженер, аспирант кафедры "Приборостроение" ПГУ. Область научных интересов: исследование и разработка Ни-МЭМС-структур и датчиков давлений на их основе для экстремальных условий эксплуатации в ракетно-космической и авиационной технике.
к op
d
m
9 4 5 8
Ы
11
d
D,
d ,
d
bh
d
ко p
D
ко p
1
Б
12
3
Рисунок 1 - НиМЭМС с повышенной вибростойкостью
