CC BY
102
Белозубов Е.М, , Васильев В.А., Громков Н.В. УМЕНЬШЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУР НА ТОНКОПЛЁНОЧНЫЕ НАНО - И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ
Задача уменьшения влияния стационарных и нестационарных температур на датчики давления возникла ещё до освоения в нашей стране серийного производства тонкоплёночных датчиков давления и до настоящего времени полностью не решена.
Основой тонкоплёночных датчиков давления являются нано- и микроэлектромеханические системы (НиМЭМС), которые обычно состоят из упругого элемента простой (мембрана, стержень, балка и т.п.) или сложной формы (две мембраны, соединённые между собой штоком; мембрана, соединённая со стержнем; балка с отверстиями и прорезями и т.п.), гетерогенной структуры, герметизирующей контактной колодки, соединительных проводников. Гетерогенная структура представляет собой сформированные на поверхности упругого элемента тонкоплёночные диэлектрические, тензорезистивные, терморезистивные, контактные и т. п. нано- и микроразмерные слои материалов, соединённые между собой определённым образом. Типичная гетерогенная структура состоит из нано- и микроразмерных слоёв, сформированных на металлической мембране с высотой микронеровностей не более 50-10 0 нм. По данным последних исследований толщина тензорезистивного слоя может иметь размеры от 40 до 100 нм.
Образованные в гетерогенной структуре элементы (тензорезисторы, терморезисторы, обкладки конденсаторов, контактные проводники и др.) объединяются в измерительную цепь. Большинство современных тонкоплёночных датчиков давления строится на тензорезистивном и емкостном принципах преобразования сигнала от измеряемой величины.
В экстремальных условиях эксплуатации датчики давления подвержены воздействию различного рода дестабилизирующих факторов, снижающих эффективность преобразования информации. Восприятие и первичное преобразование давления происходят на фоне мощного и быстроизменяющегося теплового поля (в интервале температур от минус 253°С до плюс 3500°С), воздействия значительных по амплитуде (более 10 00 0 мс-2) и частоте (до 30 кГц) вибрационных нагрузок. В условиях действия на датчик нестационарных температур (термоудара) окружающей или исследуемой среды в большинстве случаев возникают значительные погрешности измерения. Скачкообразное изменение температуры вызывает переходные температурные процессы в датчике, приводит к возникновению динамической температурной погрешности, которая может достигать 60% в течение нескольких секунд. По мере установления переходных процессов, динамическая погрешность уменьшается и приближается к статической. Обеспечение стабильности преобразования информации в условиях действия нестационарных температур является серьёзной проблемой при использовании датчиков в таких условиях.
Тонкоплёночные датчики давления (ТДД) на основе НиМЭМС обладают оптимальным сочетанием метрологических, конструктивных, технологических характеристик с наивысшей устойчивостью к воздействию вышеназванных факторов по сравнению с датчиками аналогичного назначения других принципов преобразования [1, 2].
Наиболее широко в качестве упругого элемента тонкоплёночных НиМЭМС датчиков давления используют мембрану. На рис. 1 показана конструкция тонкоплёночной НиМЭМС тензорезисторного датчика давления [3], где 1 - мембрана, 2 - периферийное основание, 3 - гетерогенная структура, 4 - выводные проводники, 5 - гермовыводы, 6 - граница мембраны.
Рис.1. Тонкоплёночная НиМЭМС с одной мембраной
Рис.2. Тонкоплёночная НиМЭМС с двумя мембранами, соединёнными между собой штоком
В НиМЭМС могут входить дополнительные элементы, улучшающие те или иные свойства системы. На рис. 2 представлена конструкция тонкоплёночной НиМЭМС с двумя мембранами, соединёнными между собой штоком [4]. Она содержит мембрану 1 с периферийным основанием 2 и штоком 3, вторую мембрану 4 с жёстким центром 5, перегородку 6, гетероструктуру 7, выводные проводники 8, гермовыводы 9. В основании мембраны имеется кольцевая проточка 10. Такая НиМЭМС позволяет обеспечить измерение давления при более высоких температурах измеряемой среды, благодаря тому, что гетероструктура расположена на удалении от мембраны 4, контактирующей с измеряемой средой.
С точки зрения расширения температурного диапазона работы датчиков и повышения устойчивости их к воздействию нестационарных температур (термоудару) перспективными являются тонкоплёночные НиМЭМС с двумя мембранами, с мембраной и балкой, с мембраной и стержнем. Конструкция тонкоплёночной НиМЭМС с мембраной и балкой [5] изображена на рис. 3, где 1 - мембрана, 2 - шток, 3 - балка, 4
- гибкая тяга, 5 - перегородка, 6 - гетероструктура, 7 - гайка, 8 - выводные проводники, 9 - гермо-
выводы. При подаче измеряемого давления на мембрану 1 последняя прогибается и шток 2 получает как осевые перемещения, так и отклоняется от оси на определённый угол. Осевое перемещение штока 2 не передаётся на жёсткий центр измерительной балки 3, так как жёсткость гибкой тяги 4 в осевом направлении НиМЭМС практически близка к нулю. Радиальное перемещение штока 2 через гибкую тягу 4 передаётся на жёский центр балки 3.
1 5 4
Рис.3. Тонкоплёночная НиМЭМС с мембраной и балкой, соединёнными посредством штока и гибкой тяги
7
Рис.4. Тонкоплёночная НиМЭМС с мембраной и стержнем
Тензорезисторы, сформированные в гетероструктуре на балке, воспринимают деформацию, изменяют своё сопротивление, при этом на выходе мостовой измерительной цепи из тензорезисторов появляется выходной сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. Перегородка 5, выполненная из материала с низкой теплопроводностью, снижает интенсивность теплового излучения со стороны мембраны 1 на балку и гибкую тягу 4, что приводит к уменьшению температурных деформаций этих элементов. В связи с этим уменьшается погрешность.
На рис. 4 показана конструкция тонкоплёночной НиМЭМС с мембраной и стержнем [6]. Она содержит мембрану 1, стержень 2 с четырьмя плоскими гранями, на двух из которых расположены гетероструктуры 3 и 4, основание 5, выводные проводники 6, гермовыводы 7. При подаче измеряемого давления на мембрану 1 давление преобразуется в силу, которая передаётся стержню 2. Тензорезисторы, сформированные в гетероструктурах 3 на плоских гранях стержня, испытывают деформацию. Вследствие этого на выходе мостовых измерительных цепей образованных из тензорезисторов появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. Тонкоплёночную НиМЭМС с мембраной и стержнем целесообразно использовать в датчиках высоких давлений. Возможность формирования нескольких измерительных цепей на различных гранях стержневого упругого элемента позволяет повысить точность и надёжность НиМЭМС и датчика давления на её основе.
Методы и средства уменьшения влияния температур на датчики и их компоненты рассмотрены в [ 7 -12 ]. В [ 9] указанные методы классифицированы в виде конструктивных, схемных и конструктивносхемных методов, отдельные методы рассмотрены в [10], где различают два направления: путём уменьшения чувствительности датчика к нестационарной температуре и путём уменьшения величины воздействия влияющего фактора. Первый путь реализуется в процессе разработки, изготовления и эксплуатации всеми известными методами, второй - в основном конструктивными методами. Задача уменьшения влияния температур на датчики может решаться двумя путями: без потребления дополнительной энергии
- пассивная защита; с потреблением энергии - активная защита. Пассивная защита имеет целый ряд положительных свойств: простота, надежность, низкая стоимость, малые габариты, способность сни-
жать чувствительность датчика, как к самой температуре, так и к скорости её изменения. Способность пассивной защиты уменьшать скорость изменения влияющей температуры является одним из определяющих преимуществ, объясняющих её широкое распространение. Средства активной защиты обладают такими недостатками, как громоздкость, большая потребляемая мощность, сложность, высокая стоимость, низкая надёжность. Все эти недостатки практически лишают возможности её применения в тонкоплёночных датчиках давления для экстремальных условий эксплуатации. Для пассивной защиты датчиков давления от нестационарной температуры измеряемой среды применяются трубки, заполненные вязким веществом, которое является хорошим передающим звеном для давления и в то же время служит тепловым фильтром для температуры (импульсные трубки). Для увеличения термической постоянной времени импульсной трубки либо увеличивают её термическое сопротивление за счёт подбора наполнителя, либо применяют принудительное охлаждение её внешней поверхности. Применение импульсных трубок существенно ухудшает динамические и массогабаритные характеристики датчиковой аппаратуры. Для защиты тонкоплёночных датчиков давления от нестационарной температуры окружающей среды чаще всего применяют тепловые фильтры в виде термоизолирующих кожухов, уменьшающих воздействие тепловых потоков окружающей среды на датчики.
Конструктивные методы уменьшения влияния температур на тонкоплёночные датчики давления можно подразделить на: методы, связанные с выбором конструктивного исполнения тонкоплёночной НиМЭМС и
остальных элементов датчика давления; методы, связанные с выбором материалов тонкоплёночных НиМЭМС (диэлектрик, тензорезисторы, электроды, контактные соединения, площадки) и корпусных элементов датчика; методы, связанные с выбором конфигурации (формы) упругого элемента (УЭ) . Конструктивные методы, связанные с выбором материалов, основаны на: подборе совместимых по характеристикам материалов тензорезисторов, упругого элемента и корпусных деталей. Обычно выбор материалов проводится исходя из следующих условий: работоспособности материалов в температурных режимах работы датчика в процессе эксплуатации; равенства температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) и температурных коэффи-
циентов линейного расширения (ТКЛР) ; для тензорезисторных датчиков - равенства ТКЛР материалов тен-зорезистора и упругого элемента, равенства температурного коэффициента тензочувствительности (ТКТ) тензорезистора и температурного коэффициента модуля упругости (ТКМУ) материала упругого элемента. Материал упругого элемента должен обладать: высокими прочностными характеристиками и малым гистерезисом; низким значением ТКЛР для получения минимальных внутренних напряжений в последующих слоях гетероструктуры, которые возникают из-за значительных температур в процессе напыления; высокой химической стойкостью как по отношению к измеряемой среде, так и по отношению к травителям, применяемым в процессе использования нано- и микроэлектронной технологии; широким рабочим диапазоном температур, обеспечивающим как работоспособность датчика в процессе эксплуатации с сохранением метрологических характеристик, так и стойкость материала в процессе напыления (до 400-500 0С); хорошей свариваемостью с другими материалами, для обеспечения установки упругого элемента в корпус. Характерным представителем конструктивного метода является метод обеспечения равенства усреднённых температур в зоне размещения тензорезисторов, который реализован в [13 ] и метод идентичных тензоэле-ментов, воплощённый в [14].
Схемные методы представляют собой чисто схемотехнические решения, к примеру, [15]. Схемные методы эффективны при минимизации температурных погрешностей, возникающих от неоптимального сочетания характеристик материалов тензорезисторов и упругого элемента, технологических разбросов их физических параметров. При воздействии на тензорезисторный датчик стационарной температуры, отличной от первоначальной, изменяются как характеристики тензорезистора (величина сопротивления и коэффициент тензочувствительности), определяемые температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и температурным коэффициентом тензочувствительности (ТКТ), так и упругого элемента, на котором установлены тензорезисторы (размеры и модуль упругости), определяемые температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) и температурным коэффициентом модуля упругости (ТКМУ). Изменения сопротивлений тензорезисторов и размеров упругого элемента влияют на аддитивную температурную погрешность датчика, а изменения тензочувствительности и модуля упругости - на мультипликативную температурную погрешность. Схемные методы минимизации мультипликативной составляющей температурной погрешности основаны на компенсации изменения модуля упругости УЭ и коэффициента тензочув-ствительности тензорезистора от температуры при помощи термозависимого резистора, устанавливаемого в цепь питания мостовой схемы. В этом случае падение напряжения на термозависимом резисторе с изменением температуры изменяет напряжение питания моста и тем самым компенсирует изменение чувствительности от температуры. Методы схемной минимизации аддитивной составляющей температурной погрешности осуществляются в основном двумя способами: включением термозависимого резистора по-
следовательно одному из рабочих тензорезисторов в плечо мостовой цепи с одновременной балансировкой последней термонезависимым резистором Дзал; включением термонезависимого резистора Яш параллельно одному из рабочих плеч мостовой цепи с одновременной балансировкой последней термонезависимым резистором Дбал.
Конструктивно-схемные методы являются совокупностью конструктивных и схемных решений, обеспечивающих получение положительного эффекта при их совместном использовании. Так на рис. 5 и 6 показана конструкция датчика давления с тонкоплёночной НиМЭМС [3 ], которая обеспечивает повышение точности и надёжности в условиях воздействия нестационарных температур измеряемой и окружающей среды.
Рис. 5. Тонкоплёночный тензорезисторный датчик давления с НиМЭМС
Рис. 6. Расположение тензорезисторов и контактных площадок на мембране
Датчик давления содержит тонкоплёночную НиМЭМС, состоящую из основания 1 с мембраной 2 (упругий элемент, УЭ), гетероструктуры 3, контактной колодки 4, соединительных проводников 5, защитной металлической гильзы 6 цилиндрической формы. В корпусе 7 датчика выполнены каналы 8 для подвода и отвода охлаждающей жидкости, имеется кабельная перемычка 9 для вывода сигнала и подключения НиМЭМС к вторичному измерительному преобразователю. В корпусе датчика 1 сделаны два продольных полусферических паза 10 (рис. 1), выполненные с торцевой стороны. Полусферические пазы 10 обращены к защитной гильзе 6 и соединены с каналами 8 подвода и отвода охлаждающей жидкости. С торцовой
стороны корпуса 7 имеется кольцевая проточка 11, выполненная на глубину не менее высоты основания 1 мембраны. Защитная гильза 5 (рис. 5) установлена на основании 1 мембраны, а внутри неё расположена контактная колодка 4 и закреплена кабельная перемычка 9. Вместе они образуют законченный конструктивный модуль, который устанавливается в корпус 7 с торца. На воспринимающей мембране 2 (рис. 6) сформированы тонкоплёночные тензорезисторы 12-17. Тензорезисторы 12, 13 и 15, 16 уста-
новлены в радиальном направлении, а тензорезисторы 14 и 17 своей срединной частью размещены на
1 I 1 I
двух окружностях с радиусами r = Г ^р и r2 = r0 — — /тр , соответственно. Тензорезисторы 12, 13 и
15, 16 соединены последовательно. Тензорезисторы 12-17 соединены контактными проводниками с кон-
тактными площадками 18, которые размещены за радиусом мембраны r . При подаче измеряемого давления на воспринимающую мембрану 2 датчика (рис.5), последняя прогибается, тензорезисторы 13, 12 и 15, 16 (рис. 6) испытывают радиальную деформацию, а тензорезисторы 14 и 17 -окружную. Охлаждение датчика жидкостью производится через каналы 8 подвода и отвода охлаждающей жидкости. Из канала подвода жидкость поступает в соединённый с ним первый полусферический паз 10, протекает по нему, обтекает основание 1 мембраны с двух сторон по кольцевой проточке 11, после чего вытекает через второй полусферический паз 10, попадая в канал для отвода охлаждающей жидкости. При этом охлаждение основания 1 мембраны улучшает отвод тепла с мембраны 2, что позволяет ослабить тепловой режим работы самой мембраны 2 и тензорезисторов 12-17, установленных на ней.
Кольцевая проточка 11 (рис. 5) выполнена на глубину не менее высоты основания 1 мембраны с целью обеспечения наилучшего охлаждения мембраны 2 и самого основания 1. Контактные площадки 18 (рис. 6) расположены за радиусом мембраны r на основании 1 (рис. 5, 6) для повышения вибропроч-
ности и надёжности.
При работе датчика в условиях воздействия нестационарной температуры (термоудара) измеряемой среды в силу низкой теплоинерционности мембраны её температура с внутренней стороны датчика оказывается не постоянной, изменяющейся со временем. Температура по поверхности мембраны в любой момент времени с начала действия термоудара распределяется неравномерно. По радиусу мембраны имеет место градиент температуры. Вследствие наличия градиента температуры по радиусу мембраны температура в различных точках тензорезисторов 10,11 и 13, 14 различна. При этом изменения сопротивлений этих тензорезисторов одинаковы, так как тензорезисторы 10, 11 и 13, 14 имеют идентичное
расположение.
1
Тензорезистор 14 установлен на окружности с радиусом r = Г /тр , то есть по окружности, температура в точках которой практически равна средней температуре между концом и серединой радиальных
1 ,
тензорезисторов. Тензорезистор 17 установлен на окружности с радиусом r2 = r0 —— /тр , температура в
точках которой практически соответствует средней температуре между началом и серединой радиальных тензорезисторов. Поскольку тензорезисторы 14 и 17 включены в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, то их изменения сопротивлений от температуры складываются, и их суммарное изменение сопротивлений (благодаря расположению) близко к суммарному изменению сопротивлений радиальных тензорезисторов, включённых в другие противоположные плечи моста. Поэтому в мостовой измерительной цепи происходит самокомпенсация температурной погрешности, обусловленной наличием градиента температуры по поверхности мембраны.
Кроме перечисленных методов следует выделить технологические и методологические методы.
К технологическим методам уменьшения влияния температур на тонкоплёночные датчики давления относятся: методы, направленные на механическую или на температурную стабилизацию физических параметров материалов элементов датчика, на уменьшение технологических разбросов параметров конструктивных элементов, на подгонку разбросов, полученных при изготовлении датчика.
Методологические методы уменьшения влияния температур на тонкоплёночные датчики давления в процессе изготовления состоят в разработке научно обоснованных методик настройки датчиковой аппаратуры, а в процессе эксплуатации - в разработке научно обоснованных методик учёта аддитивных и мультипликативных температурных чувствительностей датчиков при расшифровке их показаний.
Каждый из рассматриваемых методов оказывает влияние на определенные механизмы возникновения температурных погрешностей.
Анализ методов уменьшения влияния стационарных и нестационарных температур показывает, что в связи с большим количеством факторов, влияющих на температурные чувствительности тонкоплёночных НиМЭМС, не может быть разработан какой-то один универсальный метод, обеспечивающий решение всех задач по уменьшению влияния температур на датчики давления. Для уменьшения влияния температур на тонкоплёночные НиМЭМС и датчики давления на их основе необходимо комплексное использование конструктивных, схемных, конструктивно-схемных, технологических и методологических методов.
К настоящему времени известно, что погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды от 25 ± 10 до минус 196 °С тонкоплёночного тензорезисторного датчика давления PX 1005 "OMEGA" (США) составляет 3,5 %. Такой уровень погрешности в новых датчиках ФГУП "НИИФИ" (г. Пенза) превзойдён [16].
Однако, для получения более качественных результатов необходимо проведение научных исследований по созданию и системному применению новых эффективных методов и средств уменьшения влияния стационарных и нестационарных температур. Требуется развитие теории проектирования и технологии изготовления тонкоплёночных НиМЭМС для ТДД, устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов, исследование воздействия стационарных и нестационарных температур на НиМЭМС, элементы и узлы датчиков, установление закономерностей влияния температур на выходные параметры НиМЭМС и информативное преобразование датчиков давления, выработка научно-обоснованных рекомендаций по созданию более совершенных датчиков давления с улучшенными метрологическими характеристиками. Нужны более совершенные топологии и структуры тонкоплёночных НиМЭМС, формируемых методами нано- и микроэлектронной тонкоплёночной технологии на упругих элементах, и датчики на их основе, обеспечивающие устойчивость к воздействию стационарных и нестационарных температур (термоудара) .
Литература
1. Мокров Е.А. Интегральные датчики. Состояние разработок и производство. Направления развития, объёмы рынка // Датчики и системы, 2000. - №1.- С. 28-30.
2. Белозубов Е.М. Перспективные тонкоплёночные тензорезисторные датчики давления для ракетной и авиационной техники // Измерительная техника. - 2004.- №5.- С. 37-41.
3. А. с. СССР № 1597623, МКИ 9 01 L 9/04. Устройство для измерения давления / В. А. Васильев,
А. И. Тихонов // Б.И. № 37 от 07.10.1990 г.
4. А. с. СССР № 1525505, МКИ 9 01 L 9/04. Датчик давления / В. А. Васильев, А. И. Тихонов //
Б.И. № 44 от 30.11.1989 г.
5. А. с. СССР № 1422031, МКИ 9 01 L 9/04. Датчик давления / А. И. Тихонов, В. А. Васильев, В.
А. Тихоненков, А. И. Жучков, В.А. Семёнов // Б.И. № 33 от 07.09.1988 г.
6. А. с. СССР № 1515081, МКИ 9 01 L 9/04. Датчик давления / В. А. Васильев, Е.П. Осадчий, А.И.
Тихонов // Б.И. № 38 от 15.10.1989 г.
7. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е. П. Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. - 480 с.
8. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник в 3-х томах. Т.1 (кн.1) / Под
общ. ред. Ю. Н. Коптева; Под ред. Е. Е. Богдатьева, А. В. Гориша, Я. В. Малкова. - М.: ИПРЖ,
1998. - 458 с.
9. Васильев В.А. Классификация и методы уменьшения температурных погрешностей датчиков на основе твёрдотельных структур // Датчики и системы. - М., 2001. - №12.- С. 6 - 7.
10. Тихоненков В.А., Тихонов А.И. Теория, расчет и основы проектирования датчиков механических величин. Ульяновск: УлГТУ, 2000. - 452 с.
11. Васильев В.А. Уменьшение влияния дестабилизирующих факторов на информативный сигнал датчиков // Датчики и системы. - М., 2002. - №4. - С. 12-15.
12. Тихонов А.И., Васильев В.А., Мокров Е.А., Белозубов Е.М., Тихоненков В.А. Пути обеспечения
устойчивости датчиков давления к воздействию термоудара // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Труды Международной научно-технической конференции / Под ред. д.т.н., про-
фессора М.А.Щербакова. - Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2004. - С.120 - 122.
13. А.с. СССР N 1337691, МКИ 9 01 L 9/04. Датчик давления./ Тихонов А.И., Тихоненков В.А.,
Жучков А.И., Васильев В.А.// Б.И. N 48 от 15.09.1987 г.
14. Патент РФ № 1615578 5901Ь 9/04. Датчик давления./ Белозубов Е.М. // Б.И. № 47 от 23.12.90.
15. А. с. СССР № 1490515, МКИ 9 0^ 9/04. Устройство для измерения давления / В. А. Васильев,
А. И. Тихонов // Б.И. № 24 от 30.06.1989 г.
16. Официальный сайт ФГУП "НИИФИ" (г. Пенза) - www.niifi.ru.
