CC BY
67
1 2 3 ©
Волков В.С. , Кудрявцева Д.А. , Французов М.В.
1К.т.н, доцент, кафедра «Приборостроение»; 2аспирант, кафедра «Ракетно-космическое и авиационное приборостроение»; магистрант, кафедра «Приборостроение», Пензенский
государственный университет
РЕЗОНАНСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ МЭМС-
ТЕХНОЛОГИЙ
Аннотация
Рассмотрены конструктивные преимущества резонансных измерительных преобразователей механических величин с частотным выходным сигналом, выполненных с использованием МЭМС-технологий.
Ключевые слова: МЭМС-технология, датчик давления, кремниевый резонансный преобразователь, сила Лоренца.
Keywords: MEMS technology, pressure sensor, silicone resonant transducer, Lorentz force.
В современной измерительной технике применяемый во многих датчиках давления тензорезистивный принцип измерения подошел к своему функциональному пределу. Стабильность и устойчивость к перегрузкам для чувствительных элементов датчиков ограничивают такие факторы, как нестабильность подложки и дрейф сопротивления тензорезистивных слоев [1, 52; 2, 64; 3,26; 4,36; 5, 51; 6, 1; 7, 12; 8, 75; 9, 30].
Развитие МЭМС - технологий позволяет применять измерительные преобразователи механических величин, основанные на явлении механического резонанса. Под действием измеряемой физической величины изменяется амплитуда и (или) фаза резонансных колебаний, по которым количественно оценивают входную величину [10, 147].
Применение кремниевой технологии позволяет создавать высокодобротные колебательные системы [11, 11]. При использовании кремниевого резонатора
геометрические размеры на 4 - 5 порядков менее подвержены влиянию температуры и статического давления, чем электрические характеристики (емкость, сопротивление) [10, 148; 11, 12]. Частотный выходной сигнал датчика легко оцифровывается и увеличивает функциональные возможности, что позволяет упрощать создание интеллектуальных датчиков физических величин [12,55; 13, 21].
В конце 80-х годов японская компания Yokogawa реализовала принципиально новый частотно-резонансный сенсор DPHarp [10, 148; 11, 11]. Возбуждение колебаний и преобразование частоты механических колебаний в электрический сигнал происходит путем помещения двухконтурных резонаторов в постоянное магнитное поле и пропусканием переменного электрического тока через тело резонатора в контуре возбуждения (рисунок 3).
© Волков В.С., Кудрявцева Д.А., Французов М.В., 2015 г.
Рис. 3 - Конструкция кристалла чувствительного элемента DPHarp
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. Собственная частота такого ненагруженного резонатора составляет около 90 кГц, при этом на выходе чувствительного элемента получается цифровой (частотный) сигнал, пропорциональный величине измеряемого давления [10, 148; 11,11].
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, индуцирующей возникающий во второй балке переменный ток в измерительную схему, что снижает чувствительность преобразования при заданном значении потребляемой мощности. [11, 12; 14, 1].
Усовершенствованный резонансный преобразователь давления содержит кремниевую мембрану с расположенным на ней кремниевым резонатором, конструкция которого показана на рисунке 5 [11,12; 14,1].
Рис. 5 - Конструкция кремниевого резонатора
Конструкция содержит два постоянных магнита (3), резонатор (2), выполненный 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) [11,12; 14,1].
Конструкция резонансного преобразователя давления, при которой проводящая дорожка расположена по периметру плоско-параллельной пластины таким образом, что возникающие две противоположно направленные силы Лоренца создают вращающий момент, обеспечивающий колебания плоско-параллельной пластины позволяет вдвое повысить чувствительность преобразования за счет увеличения амплитуды колебаний плоско-параллельной пластины при одинаковом заданном значении потребляемой мощности и сохранении высокой временной стабильности характеристик.
Литература
1. 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.
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. Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС-технологий /
Козин С.А., Федулов А.В., Пауткин В.Е., Баринов И.Н. // Компоненты и
технологии.-2010.-№1.-С. 24-27.
4. Баринов И.Н. Высокотемпературные чувствительные элементы датчиков давления со структурой «кремний на диэлектрике» // Датчики и системы .-2007.-№ 1.-С. 36-38.
5. Баринов И. Н., Волков В.С., Цыпин Б.В., Евдокимов С.П. Разработка и изготовление микроэлектронных датчиков давления для особо жестких условий эксплуатации // Датчики и системы. - 2014. - № 2. - с. 49 - 61.
6. Баринов И. Н., Волков В.С. Оптимизация чувствительного элемента датчика давления с поликремниевыми тензорезисторами // Приборы.- 2013. - № 2. - с. 1 - 5.
7. Баринов И.Н. Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуры // Компоненты и технологии .-2009.- №5.-С. 12-15.
8. Волков В.С. Снижение температурной зависимости начального выходного сигнала высокотемпературного полупроводникового датчика давления на структуре «поликремний -диэлектрик» // Надежность и качество - 2013: труды международного симпозиума: в 2 т. / под .ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд - во ПГУ, 2013, - 1 т. - с. 75 - 77.
9. Волков В.С., Баринов И.Н. Компенсация температурной погрешности чувствительности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2013. - № 1(3). - С. 30-36.
10. Ikeda, K., et al., Silicon Pressure Sensor Integrates Resonant Strain Gauge on Diaphragm, Sensors and Actuators, Vol. A21-23, 1990, pp. 146-150.
11. Волков В.С., Баринов И.Н. Полупроводниковые датчики давления на основе резонансного преобразователя // Приборы. - 2012. - №7. - С. 9-13.
12. Волков В.С., Баринов И.Н. Использование системы Simulink при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2011. - . № 7. - с. 50.
13. В.С. Волков, И Н. Баринов Автоматизация разработки диагностического обеспечения интеллектуальных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2009. - № 12. - с. 20 - 25.
14. Патент RU 2341815 (пр. 02.06.2010). Резонансный преобразователь давления / Баринов Н.И., Баринов И. Н.
