Разработка и исследование измерительных приборов на интегральных принципах

Современную научно-техническую революцию в приборостроении сделали цифровые схемы, а именно микропроцессоры. Достигнуты значительные результаты в совершенствовании аппаратной части цифровых вычислителей, программного обеспечения, алгоритмизации численных методов вычислений, а также в применении микропроцессоров для обработки измерительной информации и в системах автоматического управления различными процессами. Однако реальный физический мир, в нашем восприятии, является аналоговым. Например, входные воздействия: температурные поля, давления в жидкостях и газах, перемещения, скорости и ускорения различных объектов — это чаще всего непрерывные функции координат и времени.

Посредниками между миром аналоговым и миром цифровым являются технические органы чувств — первичные датчики. В свою очередь, широкое применение микропроцессоров ужесточило требования к характеристикам первичных датчиков. Для улучшения точности первичных датчиков и снижения их себестоимости используют методы интегральной микротехнологии. Интегральные микродатчики совместили в себе чувствительные элементы со встроенными электронными схемами обработки и становятся все более похожими на интегральные схемы.

Интегральная микротехнология является многообещающей в решении многих сложных вопросов датчикостроения, однако, несмотря на значительные успехи в электронной микротехнологии, процесс создания и внедрения интегральных датчиков является весьма специфичным, трудоемким и длительным. Во-первых, необходимо преодолеть инерцию и психологический барьер при переходе от неинтегральных технологий в датчикостроении к интегральным. Во-вторых, требуется время и средства на проведение исследований, разработку типового ряда измерительных приборов и подготовку соответствующего производства и специалистов.

При этом следует особо подчеркнуть, что перенос опыта микротехнологии из производства чисто электронных приборов в область датчикостроения произошел не вслепую один к одному, а с принципиальным развитием. Так, например, топологический расчет фотошаблонов для изготовления упругих чувствительных элементов в виде мембран, маятников, струн и т. д. имеет свои специфические особенности, заключающиеся в следующем. Выбор формы упругих подвесов, плоскостей и травителей тесно связан с получением оптимальных характеристик разрабатываемых микродатчиков. В готовых изделиях должны быть максимально устранены влияния дефектов пластин, связанных с предысторией механической обработки, неоднородностями состава и дислокациями. Температурные напряжения, связанные с локальными диффузиями примесей проводимости, выполняемыми в силу конструктивной необходимости, например, при изготовлении тензорезисторов, также должны быть максимально снижены.

Интегральные микродатчики, несмотря на кажущуюся простоту, в научно-техническом плане представляют собою сложные приборы, поскольку их разработка и исследования осуществляются на стыке многих наук: физики кристаллов, химии, теории электрического поля в полупроводниках, теории упругости анизотропных сред, аэрогидродинамики и др. Большие сложности при разработке связаны с чувствительностью интегральных микродатчиков к побочным параметрам окружающей среды, не подлежащим измерению, например, к температуре. В связи с многообразием применения и со сложностью, обусловленной большим числом измеряемых физических величин, в основу работы интегральных микродатчиков положено множество различных принципов. Это обстоятельство наряду с высокой стоимостью теоретических исследований и необходимостью проведения экспериментально-опытных работ делает интегральные микродатчики пока все еще довольно дорогим товаром. По оценкам западных технических экспертов в датчикостроении в обозримом будущем будут преобладать интегральные разработки на основе монокристаллического кремния с использованием в составе конструкций и других материалов, например, арсенида галлия, кварца, полимеров с пьезоэлектрическими свойствами, стекла пирекс и др.

Актуальность работы. В последние годы как в нашей стране, так и за рубежом наблюдается устойчивая тенденция возрастания интереса к разработкам интегральных датчиков первичных параметров. Это связано с возможностью эффективного решения с их помощью ряда народнохозяйственных и оборонных задач. Возможности авиационных приборов, при постоянной острой потребности, всегда ограничивались характеристиками первичных датчиков. Интегральные микродатчики в научно-техническом плане представляют собой сложные приборы, поскольку их разработка и исследования осуществляются на стыке многих наук: физики кристаллов, химии, теории электрического поля в полупроводниках, теории упругости анизотропных сред, теории систем автоматического управления, аэрогидродинамики и др. Работа выполнялась в соответствие с Целевой Комплексной Программой МАП, утверждённой от 27.12.84 г. по авиационному приборостроению, раздел 1.2.2.3.1 п. 6, п. 10.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка теоретических положений, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии перспективного направления в отрасли интегрального приборостроения.

Задачи диссертационной работы:

1. Углубленный анализ физических процессов в интегральных чувствительных элементах, интегральных электронных узлах и системах датчиков с точки зрения современных требований к измерительным приборам с применением фундаментальных уравнений математической физики.

2. Проведение целенаправленных экспериментальных исследований статических и динамических характеристик интегральных датчиков, результаты которых позволяют судить о границах применимости математических моделей для разработки измерительных приборов.

Объект исследования. Объектом исследования является спектр интегральных датчиков и преобразователей первичной информации на базе монокристаллического кремния:

• Преобразователи перемещений, сил и моментов.

• Датчики для измерения линейных и угловых ускорений движущихся объектов.

• Приборы для измерения скоростей, расходов, давлений и температуры.

• Микроэлектронные преобразователи и узлы, встраиваемые в датчики.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы математического и физического моделирования, натурный эксперимент и синтез оптимальных решений, методы полупроводниковой схемотехники, теоретической механики, аэрогидродинамики, теории упругости и теории систем автоматического управления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены операторные и дифференциальные уравнения и их решения, описывающие: движение подвижных микромеханических узлов в общем виде и частные случаи применительно к чувствительным элементам интегральных акселерометров осевого и маятникового типов, зависимости для абсолютных коэффициентов газодинамического демпфирования подвижных микромеханических узлов, зависимости для вычисления жёсткостей интегральных подвесов с криволинейными обводами, выполняемыми из кремния в кристаллографических плоскостях (100) и (111), зависимости для вычислений прогибов и деформаций планарных кремниевых мембран и мембран с жёстким центром датчиков давления, зависимость коэффициентов теплоотдачи от нагретых поверхностей датчиков термоанемометров от конструктивных и физических параметров, а также зависимость для учета режима течения в мерном сечении расходомера с применением двух термоанемометров.

2. Получено теоретическое описание для прямой и обратной ветвей вольт-амперной характеристики р-п переходов, дающее возможность управлять температурными коэффициентами встречно включенных переходов, что позволяет оптимизировать конструктивные и физические параметры источника опорного напряжения. Проведён натурный эксперимент, подтвердивший близкое совпадение теоретических результатов с экспериментальными.

3. Обоснованы теоретические соотношения для расчета микроэлектронных преобразователей, совместимых с интегральными датчиками первичных параметров: преобразователей «перемещение — напряжение», «напряжение-частота», «деформация-частота», «температура-частота» и «напряжение-сила» .

4. Сформулированы целевая функция и ограничения для оптимизации параметров интегральных датчиков по критерию минимума динамической и статической ошибок. На их основе получено теоретическое соотношение для настройки коэффициентов передачи прямой цепи и цепи отрицательной обратной связи интегральных акселерометров и датчиков давления с силовой обратной связью, позволяющее минимизировать суммарную ошибку.

Практическая ценность работы :

1. Теоретические решения доведены до практического использования в расчетах характеристик и оптимизации параметров интегральных датчиков и нашли применение на всех стадиях разработки: НИР, ОКР, эскизном и техническом проектировании.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде рекомендаций и расчетных соотношений для определения важнейших характеристик интегральных датчиков и их ошибок позволяют сократить срок разработок новых интегральных датчиков.

3. На примере работы отдела микродатчиков Арзамасского АО НПП «ТЕМП-АВИА» отмечено (в акте внедрения) практическое использование результатов диссертационной работы, позволивших получить качественно новые изделия с улучшенными технико-экономическими показателями. Разработанная продукция в виде ряда интегральных датчиков, выпускаемых мелкими сериями, пользуется большим спросом у потребителей.

4. Разработаны методики определения статических и динамических характеристик интегральных акселерометров и их ошибок с помощью испытательного оборудования: вибростенда, термобарокамеры, оптической делительной головки, центрифуги и специально разработанных приспособлений.

5. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс: в НГТУ на кафедре КИТР по специальности 190 900 и в Арзамасском филиале НГТУ на кафедре «Авиационные приборы и устройства» по специальности 190 300.

Реализация в промышленности. Выводы, рекомендации и результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены на предприятии ОКБ «Темп», что подтверждается соответствующими документами.

Апробация работы. Диссертация и отдельные ее разделы обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях, семинарах, и совещаниях:

• На межвузовской конференции по применению математических методов и вычислительной техники в научных исследованиях, г. Алма-Ата, АГУ, 1980 г.

• На расширенном заседании кафедры «Авиационные приборы и устройства» Арзамасского филиала НГТУ в 1992 г.

• На техническом совете ОКБ ТЕМП в 1987 г., в 1991 г., в 1994 г.

• На научно-технической конференции в «ЦНИИ информации и технико-экономических исследований», г. Москва, 1987 г.

• На межвузовской конференции «Бубновские чтения-88», Горький, 1988 г.

• На Всероссийской научно-методической конференции «Новые информационные технологии в системе многоуровневого обучения», Н-Новгород, 1996 г.

• На региональной научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин», Н. Новгород, 1996 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 41 работа, из них 17 — авторские свидетельства на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, семи приложений, заключения и списка литературы. Основной текст содержит 294 страницы машинописного текста, иллюстрации — 50 (рисунки, схемы, графики), список литературы — 247 наименований, приложений -7 и заключение.

Выводы.

1. Разработана методика расчёта конструктивных параметров интегральных датчиков с использованием динамического критерия и приведён конкретный пример получения оптимального зазора между подвижным и неподвижными электродами силового преобразователя линейного акселерометра.

2. Разработана методика оптимизации характеристик интегральных датчиков по минимизации ошибок с помощью метода неопределённых множителей Лагранжа.

Заключение

.

1. Получены теоретические зависимости для расчета статических и динамических характеристик интегральных датчиков: датчиков перемещений, линейных и угловых акселерометров, датчиков давлений, термоанемометров, расходомеров, датчиков сил (или моментов) и определены теоретические соотношения для оптимизации конструктивных параметров разрабатываемых датчиков и их отдельных узлов, а также условия настройки параметров и минимизации ошибок измерения.

2. Из решений уравнения Навье-Стокса для частных случаев получены соотношения для определения абсолютных коэффициентов газодинамического демпфирования микромеханических подвижных узлов в зависимости от вязкости газа, формы и площади в плане, степени перфорации и величины зазора между подвижным узлом и неподвижными стенками. Доказана принципиальная возможность практического применения гистерезисного демпфирования подвижных интегральных узлов на основе решения линейной модели, описывающей вязкоупругие свойства резиноподобных материалов, и получены расчетные формулы. Теоретическое решение подтверждено экспериментами.

3. Получены теоретические соотношения для определения жесткостей анизотропных упругих подвесов с криволинейными обводами. Решено уравнение прогибов и деформаций планарных кремниевых мембран и мембран с жёстким центром для датчиков давления и найдена оптимальная топология диффузионных тензорезисторов. Сравнение с экспериментальными результатами подтвердило правильность теоретических положений.

4. Для определения коэффициентов теплоотдачи от нагретых поверхностей датчиков термоанемометров получено теоретическое соотношение, позволившее на стадии проектирования заменить экспериментальные исследования теоретическим расчетом. Исследовано теоретически и экспериментально два типа термоанемометров: с регулированием постоянной температуры и с переносом тепловых меток и разработаны для них математические модели и принципиальные схемы. Для термоанемометров постоянной температуры достигнута точность измерения на уровне 1% от верхнего предела, а для термоанемометров с переносом тепловых меток на уровне 0,1% при тех же условиях. Получено теоретическое решение для определения характеристики термоанемомет-рического расходомера, позволившее повысить точность измерений за счет учета режимов течения в мерном сечении расходомера.

5. Предложено и теоретически обосновано соотношение для определения вольт-амперных характеристик р-п переходов, дающее прямую и обратную ветви в зависимости от конструкционных и физических параметров. Теоретическое решение позволяет создавать датчики опорного напряжения с заданными характеристиками.

6. Разработана теория и принципиальная схема для построения емкостного датчика микроперемещений, инвариантного к частоте питающего напряжения и к изменениям диэлектрической проницаемости.

7. Сформулированы условия линейности шкалы на основе теоретического решения для статической характеристики датчика перемещений на полевом эффекте в зависимости от глубины и концентрации диффузии.

8. Разработаны и исследованы датчики силы: на основе взаимодействия электрических полей, обусловленных краевыми эффектами решетчатого электрода, и магнитоэлектрического в интегральном исполнении. Сравнение разработанных датчиков с электростатическим датчиком силы показало превосходство их характеристик при одинаковых конструктивных параметрах: по крутизне, по линейности, по напряжению и перемещению.

9. Исследованы теоретически и экспериментально три варианта интегральных акселерометров: с силовой электростатической обратной связью, с магнитоэлектрической и импульсной обратной связью. Разработаны и исследованы компенсационные датчики малых разностей давлений с точностью измерений, соответствующей точности источника опорного напряжения, а также разработан датчик избыточных давлений с магнитоэлектрическим обратным преобразователем. Предложены способы повышения точности до.

2 О уровня 10″ % от диапазона при-60.+85 С.