CC BY
63
Михайлова В.П., Кичкидов А.А., Петрунин Г.В., Ульянов В.Ф., Лапшин И.О.
РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДАТЧИКОВ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Статья посвящена принципам построения совмещенных датчиков различных параметров для приборных устройств. Представлены топология и конструкции чувствительных элементов и измерительных модулей датчиков.
При разработке, испытаниях и эксплуатации систем и изделий ракетно-космической и авиационной техники, двигателей и проч. основными измеряемыми и контролируемыми параметрами (до 60...80%) являются давление, температура и вибрации. Использование датчиков с расширенными функциональными возможностями, которые измеряют одновременно несколько параметров, позволяет эффективно контролировать уровни акустических и вибрационных нагрузок, величину пульсаций давления и градиенты температурных полей, возникающих при исследованиях и эксплуатации изделий и систем различного назначения [1].
Применение совмещенных датчиков (СД) позволяет не только увеличить информативность измерений, но и уменьшить погрешности, возникающие от влияния внешних факторов, так как дополнительная информация о значениях температуры и уровне вибраций может быть использована для автоматической коррекции погрешностей измерения основного параметра, например, давления или вибраций [2].
Предлагаемые структуры многофункциональных датчиков представлены на рис. 1, из которого видно,
что наиболее приемлемым решением является интеграция на одном элементе нескольких чувствительных элементов (ЧЭ) или структур. В частности, в пьезоэлектрических датчиках термочувствительный элемент (ТЧЭ) может быть объединен с рабочим пьезоэлементом в монолитный пьезомодуль. Виброчувствительный пьезоэлемент (ВЧПЭ) может быть выполнен как в виде отдельного пьезозлемента, соединенного с инерционным грузом, так и объединен с термочувствительным и рабочим элементами в единый блок-измерительный модуль (ИМ) .
На рис. 2 приведены принципиальные схемы полупроводниковых и пьезоэлектрических СД с ЧЭ, реагирующими на температуру и вибрацию.
В частности, на рис. 2а представлена схема, где в качестве термочувствительного параметра использован ток питания тензомоста; на рис. 2б - сопротивление перехода эмиттер-база («э-б») транзистора, включенного в обратном направлении; на рис. 2в - сопротивление терморезистора.
Объединение в одном ЧЭ функций преобразования различных параметров (давления, температуры и вибрации) позволяет создавать миниатюрные СД с широкими функциональными возможностями [4, 5].
На рис. 3 приведены примеры реализации ПЧЭ с термо-и тензочувствительными структурами (терморезистор Яг, термотранзистор УТ, пьезорезисторы Я2) которые сформированы методами микроэлектронных техно-
логий
Рисунок 1 - Структурные схемы многофункциональных датчиков: ТЭ - термоэлемент; СК - схема термокомпенсации; ПРЭ - пьезорезистивный элемент; ПЧЭ - полупроводниковый чувствительный элемент; СЧЭ -фоточувствительный элемент; МЧЭ - магниточувствительныи элемент; ПМ - пьезомодуль, ВЧПЭ - виброчув-ствительный пьезоэлемент
Рисунок 2-Схемы многофункциональных датчиков: РПЭ-рабочий пьезоэлемент; ТЧПЭ-термочувствительный
пьезоэлемент
Рисунок 3-Кристаллы полупроводниковых совмещенных датчиков давления и температуры
Кроме прямого измерения нескольких параметров, дополнительный измерительный канал может быть использован для коррекции результатов измерения основного информативного параметра, частности давления (рис. 4) или с целью исключения влияния температуры путем термостабилизации чувствительных элементов микроэлектронных датчиков (МЭД) датчиков в процессе измерения (рис. 5 и рис. 6).
Рисунок 4 - Структурная схема управления дрейфом нуля в МЭД, имеющим автономный термочувствительный канал
Рисунок 5-Метод термостабилизации отдельных ЧЭ в преобразователях механических величин
Рисунок 6- Термокомпенсированный МЭД давления с термостабилизацией: ТЧЭ-тензочувствительные эле-
менты, Изм. сх - измерительная схема, РЭ-регулирующий элемент
Использование разработанных методов и схемотехнических решений позволяет расширить функциональные возможности датчиков, увеличить точность измерения и дает возможность использовать микропроцессорную обработку информативных и влияющих параметров с целью еще более значительного повышения точности измерений.
Реализация датчиков с расширенными возможностями может быть проведена при использовании в качестве функционального материала поликристаллического кремния (ПК), который в отличие от монокристал-лического кремния (МК) изотропен по своим физическим характеристикам (ФХ). Основным преимуществом ПК по сравнению с МК является возможность формирования из него ЧЭ, не содержащих р-п - переходы, что позволяет повысить рабочую температуру датчиков до 2 0 0...250 0С. Изменяя концентрацию легирующих примесей в ПК (модификация ПК), можно получить практически нулевое значение ТКС резисторов. Проводимость ПК регулируется технологическими методами путем изменения дозы легирующей примеси, а так же энергией легирующих ионов и температурой подложки. Таким образом, модифицируя ПК путем легирования различными примесями и дозами, термообработкой, рекристаллизацией и т.д. можно получить области и сенсорные элементы (СЭ), имеющие значительную разницу в ФХ. На одной подложке можно сформировать, например тензо - и терморезисторы, фото - и магниточувствительные СЭ, проводящие шины, контактные группы, изолирующие области (рисунок 7)
Рисунок 7 - ЧЭ СД на основе поликремниевых струтктур: 1-подложка из МК; 2-изолирующая пленка из
SiO2; 3-Л! - экран; 4-ПК тензорезистор; 5-ПК коммутационная шина; 6- Al - контактная площадка
0,01 Ом-см. Аморфная структура легированных ПК пленок позволяет формировать из них коммутационные шины микронных и субмикронных размеров. После термообработки ПК-шин на них формируется пленка SiO2 с высокими изоляционными свойствами, которая позволяет формировать второй слой коммутации.
Важным свойством ПК пленок является возможность модификации структуры с помощью лазерного излучения, при воздействии которого происходит рекристаллизация пленки.
Структура ПК сильно зависит от вида легирующей примеси, температуры осаждения и термообработки пленки после формирования. Пленки ПК, осаждаемые при температуре менее 57 50С - аморфные, а при температуре более 6250С становятся поликристаллическими. Важным процессом формирования высокотемпературных поликремниевых СД является перекристаллизация ПК, которая происходит при нагреве структур. При этом изменяя состав и концентрацию примесей, можно управлять свойствами пленок ПК.
Использование разработанных методов, новых материалов и схемотехнических решений позволяет расширить функциональные возможности датчиков, увеличить точность измерения и дает возможность использовать микропроцессорную обработку информативных и влияющих параметров с целью еще более значительного повышения точности измерений.
Реализации предлагаемых конструктивно-технологических решений в практических измерениях на различных объектах и технологических линиях даст значительную экономию при одновременном повышении надежности
Литература
1. М Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. - М.: Мир, 1989
2. Современное состояние и принцип развития датчиков на основе технологии микроэлектроники // П.
СА и СУ - обзорная информация ТС-6. - Вып. 5. - 1987
3. Како Н. Датчики и микроЭВМ / Н. Како, Я. Я. Манэ: Пер. с яп. - Л.: Энергоатомиздат, 1986
4. Ридер Т. И. Датчики давления и температуры, использующие поверхностные акустические волны / Т. И. Ридер, Д. Е. Каллен // ТИИЭР. - 197 6. - Т. 64, № 5
5. Лапшин И.О., Михайлов П.Г., Михайлова В.П., Макаров Ю.Н. Методы расширения функциональных возможностей пьезоэлектрических датчиков акустических и быстропеременных давлений // Методы, средства и технологии получения и обработки измеритель ной информации Труды МНТК «Измерения-2 008». Пенза ИИЦ ПГУ 2008. С 55-56.
6. ГОСТ Р 51086-97 Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения. Госстандарт России ИПК Издательство стандартов, 1997.
Так при легировании ПК пленок до концентрации 10 ^10 см их удельное сопротивление снижается до
7. Лапшин И.О., Михайлов П.Г., Михайлова В.П., Макаров Ю.Н. Методы расширения функциональных возможностей пьезоэлектрических датчиков акустических и быстропеременных давлений // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации Труды МНТК «Измерения-2008». Пенза ИИЦ ПГУ 2008. С 55-56.
