Опыт применения новых технологических методик для повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления, используемых в РКТ

УДК 531.781.084.2

И. В. Волохов, П. А. Колосов, И. Н. Чебурахин, ОАО «НИИФИ», г. Пенза.

Опыт применения новых технологических методик для повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления, используемых в РКТ.

В настоящее время основную роль в системах контроля параметров энергетических установок изделий ракетно-космической техники (РКТ) играет датчиковая аппаратура в микроэлектронном исполнении. Одним из средств измерений являются тонкопленочные тензорезисторные датчики давления (ТТДД), предназначенные для преобразования давления рабочих сред энергетических установок в электрический сигнал и для выдачи информации в систему телеметрических измерений или систему автоматического управления. К ним предъявляются достаточно жесткие требования по надёжности и стабильности метрологических характеристик в условиях эксплуатации и длительного хранения. В ОАО «НИИФИ» накоплен богатый опыт применения новых технологических методик при производстве ТТДД, что позволяет отбраковать потенциально ненадежные чувствительные элементы (ЧЭ) на ранней стадии их изготовления и тем самым снизить вероятность отказа приборов при их эксплуатации и повысить стабильность характеристик датчиков в условиях их длительной эксплуатации.

Ключевые слова: РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА, СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ, ДАТЧИК, НАДЕЖНОСТЬ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА

Key words: SPACE AND ROCKET ENGINEERING, MEASUREMENT SYSTEM, SENSOR, RELIABILITY, PROCESS DESIGN.

В последнее десятилетие в рамках работ по разработке новых ракет-носителей, космических аппаратов последнего поколения, новых систем для вооружения, специальной и военной техники, а также проектированию и строительству в ядерной энергетике блоков для АЭС четвертого поколения, появились насыщенные средствами автоматического контроля комплексы оборудования и объекты техники, при эксплуатации которых риск, связанный с метрологическим отказом средств измерений (СИ), значителен. В

определенные периоды, например перед принятием ответственного решения, касающегося управления оборудованием или объектом техники, такой риск возрастает до крайней степени. Недостоверность информации, поступающей от датчиков на объекте, может повлечь крупные материальные потери, а иногда и человеческие жертвы. При этом доступ персонала для калибровки датчиков практически исключен на протяжении всего непрерывного технологического цикла (например, в ядерной энергетике) или вообще невозможен в случае пребывания объекта в космическом пространстве.

Например, совершенство перспективных ракет-носителей тяжелого и среднего класса типа «Ангара» или «Русь-В» по энергетическим параметрам обеспечивается за счет поддержания в агрегатах мощных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) высоких энергетических параметров в течение всего ресурса работы (до 7 и более циклов с длительностью одного цикла до 750 с) при предельно допустимых значениях таких сопутствующих явлений (параметров),

1

как вибрации, пульсации давления деформации и т. п., что, в свою очередь, определяет фактическую сложность эксплуатационных условий для работы СИ с нужными механическими и метрологическими характеристиками. Пребывание работающего ЖРД в области недоступных значений сопутствующих параметров приводит к его аварийному состоянию, а также к отказам СИ. В таких случаях для оценки развития отказа двигателя необходимым требованием к разработчикам ЖРД и СИ является обеспечение сохранения работоспособности датчиков в течение 0,2 с и более после начала аварийного состояния [1].

Особенностью работы датчиков на объектах техники с многолетним сроком эксплуатации, помимо жестких условий эксплуатации, является накопление последствий воздействия на датчики внешних факторов (ВФ) за время эксплуатации, например, проявление усталости металла в упругих чувствительных элементах, разрушающее действие различных агрессивных веществ на поверхности датчика, изменение свойств тонкопленочных гетероструктур под воздействием космического излучения и т. д. И сами эти последствия и скорость их нарастания зависят от места установки датчика и реального режим эксплуатации объекта техники. Как правило, эти последствия неконтролируемы и могут прогнозироваться лишь очень ориентировочно [2].

Для вновь разрабатываемых датчиков получение статистических данных о динамике изменения погрешности в условиях эксплуатации, необходимых для обоснованного определения длительности срока службы, в приемлемые сроки нереально. Параметры надежности датчика приходится задавать на основании косвенных оценок или по аналогам. Если же провести реальные стендовые испытания для оценки срока службы конкретного датчика и подтверждения его надежностных характеристик, то через несколько лет, потраченных на испытания, результат окажется невостребованным, поскольку за этот период конструкции датчиков и технология их производства изменятся.

Для дорогих датчиков специального назначения, предназначенных для выпуска малой серией, проведение сколько-нибудь достоверных

статистических исследований невозможно и из-за экономических ограничений.

Таким образом, при создании датчиков, которые должны сохранять свою метрологическую исправность в жестких условиях эксплуатации и на протяжении многих лет хранения объекта техники, традиционные решения не эффективны. Необходимы новые решения, касающиеся обеспечения

стабильности метрологических параметров датчиков специального назначения.

Как показала практика, отдельные меры, направленные на улучшение частных характеристик датчиков специального назначения, не приводят к улучшению временной стабильности параметров и чаще всего ухудшают другие характеристики (вес, ремонтопригодность, надежность и прочие). Поэтому для решения проблемы обеспечения стабильности необходим комплексный подход, включающий рассмотрение всего датчика в процессе его создания, изготовления и эксплуатации как системы, которая на разных уровнях, начиная с низового, охвачена обратными связями - постоянными и временными. При этом обратные связи могут быть как постоянные (в виде встроенных вторичных преобразователей с обратной связью), так и временные,

2

появляющиеся в процессе изготовления датчика и при проведении целенаправленных процессов стабилизации [3].

Создание и производство современных СИ, в том числе датчиков специального назначения (давления, температуры, ускорений, расхода и т. п.) не может обойтись без применения технологии микроэлектроники. В плане стратегии обеспечения стабильности датчиков, изготовленных с применением технологии микроэлектроники, необходимо решить целый ряд проблемных вопросов теоретического и прикладного характера [4, 5, 6]. Рассмотрим схему получения и использования информации при проведении работ по повышению надежности СИ на примере тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления (ТТДД) специального назначения (см. рисунок 1).

Как видно из блок-схемы на рисунке 1, задачу обеспечения стабильности можно условно разбить на следующие взаимосвязанные блоки:

- этап проектирования конструкции датчика (рисунок 2);

- этап производства датчика (рисунок 3);

- этап эксплуатации датчика (рисунок 4).

Рисунок 1 - Схема получения и использования информации при проведении работ по повышению надежности датчиков для жестких условий эксплуатации

На этапе проектирования датчика важно выявить наиболее критичные внешние влияющие факторы, которые определят конструктивнотехнологический вариант исполнения датчика давления с точки зрения обеспечения стабильности его метрологических характеристик при эксплуатации.

На этапе производства датчика выделено семь существенных факторов, влияющих на обеспечение стабильности метрологических характеристик (см. рисунок 3).

3

Рисунок 2 - Структурная схема этапа «Проектирование» в схеме обеспечения стабильности метрологических параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления специального назначения (1 - оценка влияния внешних воздействующих факторов на устойчивость и стабильность ЧЭ и датчика в целом, 2 - стабилизация и авторегулирование ЧЭ и датчика в целом, 3 - управляемость электрофизических характеристик

конструкционных материалов для ЧЭ и датчика, 4 - разработка математических моделей, 5 -прогнозирование дрейфа метрологических параметров датчика, 6 - выбор критериев стабильности, 7 - синтез обратных связей).

Рисунок 3 - Структурная схема этапа «Производство»

На этапе эксплуатации датчика наиболее существенными являются этапы анализа причин отказа датчика и сбор статистических данных о долговременной стабильности метрологических характеристик датчика.

4

Рисунок 4 - Структурная схема этапа «Эксплуатация»

Как видно из схем на рисунков 1 - 4 задача повышения надежности датчика многообразна по содержанию. Остановимся на этапе производства датчиков и, в частности, на технологических методах повышения надежности.

На рис. 5 представлена схема реализации методов повышения

надежности ТТДД специального назначения на этапе «Производство».

Длительный опыт эксплуатации ТТДД на различных объектах техники показал их высокую эффективность в системе телеметрических измерений (СТИ) для РКТ, а также систем автоматизированного управления (САУ) авиационных и ядерных энергетических установок за счет их высокой чувствительности и надежности, малых габаритов и массы.

На основании ранее проведенных исследований свойств тонкопленочных тензорезисторов и принципов преобразования измерительной информации (давления) в изменение выходного электрического сигнала определено, что необходимо сконцентрировать усилия на разработке простых, надежных и универсальных методов повышения стабильности во времени и надёжности ЧЭ ТТДД, как на этапах создания конструкции и технологии, так и на этапе реализации технологии в производстве с учетом обратной связи этих этапов [7, 8, 9].

Условно всю задачу по повышению надежности ТТДД специального назначения на этапе производства можно разбить на две подзадачи. Первая -это повышение управляемости и стабильности технологии по технологическим участкам производства. Вторая - это повышение качества и надежности самого датчика на этапе производства.

Весь технологический цикл производства датчика условно разбит на пять этапов:

- на этапе формообразования воспринимающих элементов реализуется технологический цикл от заготовки до полного формообразования

5

воспринимающего элемента (основные технологии: лезвийная обработка, холодное объёмное деформирование, термическая обработка, доводка, проверка герметичности, полировка), при этом закладываются основные метрологические характеристики датчика (рабочий диапазон давлений, линейность выходного сигнала, способность выдерживать перегрузки по давлению, долговременная стабильность упругих характеристик мембраны);

Рисунок 5 - Схема реализации технологических методов повышения надежности тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления

- на этапе формирования тонкопленочной гетероструктуры реализуется

технологический цикл получения многослойной тонкопленочной гетероструктуры и формирование из неё топологии тензосхемы (основные технологии: плазмохимическая очистка, вакуумное напыление тонких

диэлектрических, резистивных и контактных пленок, фотолитография с использованием жидкостно-химического и ионно-химического травления тонких пленок, термостабилизация сформированной тензосхемы в вакууме и на воздухе) [10, 11]. При реализации технологического цикла закладываются такие надежностные и метрологические параметры датчика как температурная и временная стабильность тензосхемы, уровень нелинейности градуировочной характеристики (зависит от точности совмещения топологии тензосхемы и зон деформации мембраны или балки [7]), надежность датчика при воздействии вибраций и ударов (зависит от величины адгезии тонкой пленки к подложке);

- на этапе сборки ЧЭ и модуля измерительного (МИ) реализуется

технологический цикл сборки, настройки и полной герметизации

тонкопленочной тензосхемы. При реализации технологического цикла закладываются такие надежностные и метрологические параметры, как

6

температурная и временная стабильность начального выходного сигнала датчика (проведение отбраковки потенциально нестабильных модулей с помощью импульсно-токовой отбраковки [12], воздействия повышенного напряжения питания, температурных циклов и использование других отбраковочных признаков), чувствительность будущего датчика к температуре (зависит от качества настройки термокомпенсации), надежность датчика при воздействии вибраций и ударов (зависит от качества микросварки золотых проводников на контактные площадки тензосхемы и на контакты колодки и качества заливки клеем сварных точек);

- на этапе окончательной сборки датчика реализуется полный технологический цикл сборки и настройки датчика в целом (основные технологии: сварка, пайка, настройка с подачей давления, аттестация датчика на соответствие метрологическим характеристикам, заданным в КД). При реализации технологического цикла закладываются такие надежностные и метрологические параметры как температурная и временная стабильность начального выходного сигнала и номинального выходного сигнала датчика (зависит от правильности настройки датчика при подаче давления), надежность датчика при воздействии вибраций и ударов (зависит от качества сварки корпуса с модулем измерительным, пайки проводников на контакты колодки модуля измерительного и разъёма, а также качества заливки клеем полостей в гермокорпусе и разъёме и заделки кабельной перемычки).

Технологические методики повышения надежности ТТДД можно классифицировать (см. рис. 5). К таким методикам относятся:

- компенсирующие технологии;

- выравнивающие технологии;

- выбор режимов оптимальных отбраковочных испытаний.

Рассмотрим данные технологические методики подробнее. Технология, в

которой при технологической операции одновременно проводится процесс, направленный на устранение или значительное снижение отрицательных последствий данной операции на изделие, называется компенсирующей технологией. Примером такой технологии является компенсирующий термический отжиг заготовки при формообразовании с помощью механической лезвийной обработки воспринимающего элемента датчика из инварного сплава 36НХТЮ. Подобные компенсирующие отжиги применяются после нанесения тонких пленок (отжиг в вакууме сразу после напыления) и после сварочных операций при сборке модуля измерительного и датчика. Метод компенсирующей технологии позволяет повысить управляемость и стабильность технологии, а также повысить качество и надежность датчиков за счет снижения внутренних микронапряжений в конструкции датчика.

Выравнивающие технологии предусматривают введение дополнительных отбраковочных операций или дополнительных испытательных циклов, в случае если возникают сомнения в достоверности результата контрольной операции. Применение этих методик связано с технологическими разбросами и субъективными причинами (влияние человеческого фактора на технологию). Рассмотрим примеры применения выравнивающей технологии. Характерным примером служит подбор величины номинала свидетеля при напылении

7

резистивного сплава. Использование подобранного сопротивления свидетеля позволяет повысить процент выхода годных ЧЭ и снизить затраты на изготовление датчиков.

Одним из примеров использования выравнивающей технологии является технологическая методика стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, которая заключается в термостабилизации упругого элемента с одновременным циклическим разогревом тензорезисторов импульсным электрическим током до температур, обеспечивающих их высокотемпературный отжиг, с одновременным воздействием повышенного давления на мембрану и контролем скорости изменения начального выходного сигнала при температуре 80 оС [14]. Методика обеспечивает отбраковку потенциально нестабильных ЧЭ на ранней стадии сборки датчика.

Другой выравнивающей технологической методикой является стабилизация структуры резистивного слоя за счет исключения скрытых дефектов и подгонка тонкопленочных тензорезисторов в одном технологическом цикле при неизменной амплитуде, длительности и скважности импульсов напряжения с постоянным контролем изменения величины сопротивления тензорезисторов. Условно методику стабилизации можно разделить два этапа: этап стабилизации и этап подгонки. На рисунке 6 изображен характер изменения сопротивления тензорезистора при реализации методики.

Рисунок 6 - Характер изменения сопротивления тензорезистора при реализации выравнивающей методики.

При реализации методики на этапе стабилизации проводят воздействие «пакетами» импульсов напряжения до нижнего, не изменяющегося значения сопротивления, которое фиксируют контрольным «пакетом» импульсов напряжения. На этапе подгонки сопротивлений тензорезисторов проводят воздействие на них «пакетов» импульсов напряжения, в которых количество импульсов увеличивают в несколько раз, при этом сопротивление каждого тензорезистора увеличивается до требуемого номинального значения, а в промежутках между «пакетами» импульсов непрерывно контролируется изменение сопротивления тензорезисторов как при стабилизации их сопротивлений, так и при их подгонке.

Методика реализуется с применением специально разработанного устройства. Устройство для стабилизации и подгонки сопротивления тонкопленочного тензорезистора содержит источник питания постоянного

8

тока, релейный блок, ключевую схему, цепь измерения сопротивления регулируемого резистора и блок управления устройством. В устройство дополнительно введены формирователь импульсов с элементом,

регулирующим амплитуду импульсов напряжения, и блок управления измерением и структурированием формы импульсов [13].

Опыт ОАО «НИИФИ» по разработке, испытанию и изготовлению ТТДД специального назначения показал, что применение простых, надежных и универсальных технологических методик повышения стабильности их параметров, как на этапах создания конструкции и технологии, так и на этапе реализации технологии в производстве, дает положительные результаты. На рисунке 7 представлен график изменения количества отказов ТТДД специального назначения у потребителей за 6 лет изготовления с 2004 по 2009 год.

Год

Рисунок 7 - График изменения количества отказов ТТДД специального назначения у потребителей за 6 лет изготовления с 2004 по 2009 год

Гистограмма показывает устойчивую тенденцию к снижению отказов датчиков по нестабильности начального выходного сигнала (НВС) при росте объёмов производства в десятки раз.

Выводы.

1. Технологические методики повышения надежности и временной стабильности ТТДД специального назначения можно классифицировать как:

- компенсирующие технологии;

- выравнивающие технологии;

- выбор режимов оптимальных отбраковочных испытаний.

2. Опыт ОАО «НИИФИ» по изготовлению ТТДД специального назначения показал, что применение простых, надежных и универсальных технологических методик повышения стабильности параметров этих датчиков, как на этапах создания конструкции и технологии, так и на этапе реализации технологии в производстве, дает положительные результаты.

Список литературы

1. Базаев В.П., Толкачев В.Ф. Технические требования к средствам измерений, работающим в жестких условиях эксплуатации. // Датчики и системы, №6, 2004 г., С. 19 - 21.

9

2. Воронцов В. Л., Лукин Р.П. Повышение эффективности информационно-телеметрического обеспечения в условиях риска потерь информации из-за аварий, запускаемых ракетно-космических изделий // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, №3, 2006, С. 46 - 51

3. Тайманов Р.Е., Сапожникова К.В., Лукашев А.П., Пронин А.Н. Контроль качества производства датчиков повышенной надежности // Датчики и системы, №9, 2006, С. 67 - 80

4. Волохов И.В., Зеленцов Ю.А. Опыт разработки технологии тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления // Приборы и системы управления, №10, 1990 г., С. 41-42

5. Мокров Е.А., Волохов И.В., Герасимов О.Н., Крысин Ю.М. Проектирование датчиков на основе тонкопленочных технологий. Учебное пособие / Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2007, 79 с.

6. Тихоненков В.А., Тихонов А.И. Теория, расчет и основы проектирования датчиков механических величин // Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, 2000, 452 с

7. Волохов И.В. Моделирование эквивалентных напряжений в зонах деформации балки для определения расположения тензорезисторов сжатия и растяжения // Тезисы докладов. 4-я международная конференция «Авиация и космонавтика 2005 г.», 10 -13 октября 2005 г. С. 91

8. Волохов И.В., Попченков Д.В. Технологические приёмы достижения долговременной стабильности чувствительных элементов металлоплёночных датчиков силы НВ-005 // Сборник докладов научнотехнической конференции «Датчики и детекторы для АЭС «ДДАЭС-2004»», Пенза, 2004 г., С. 244 - 247

9. Волохов И.В., Попченков Д.В. Герасимов О.Н. Технологические приемы достижения долговременной стабильности чувствительных элементов металлопленочных датчиков давления ДАВ-088 // Датчики и системы, №9, 2005 г., С. 51-54

10. Базаев В.П., Ефремов Е.В., Колчин П.А., Лебедев Д.В., Мокров Е.А., Сёмина И.А Совершенствование тензорезисторных тонкоплёночных датчиков давления // Мир измерений, №4, 2008, С.41-46

11. Волохов И.В., Тимаков С.В. Новая технология получения тонкопленочных гетероструктур чувствительных элементов датчиков давления для изделий ракетно-космической техники // VIII научно-техническая конференция «Микротехнологии в космосе» с международным участием 6 - 7 октября 2010 г., ОАО «РКС», г. Москва

12. Патент РФ № 2 301 977 «Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами». Авторы: Волохов И. В., Песков Е. В., Попченков Д.В.

13. Патент РФ №2 306 625 «Способ стабилизации и подгонки тонкопленочных резисторов и устройство для его осуществления». Авторы: Ворожбитов А.И., Зеленцов Ю.А., Колосов П.А, Мокров Е.А.

14. Патент РФ № 2 399 894 С1 «Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами под давлением». Авторы: Волохов И. В., Ворожбитов А. И., Лашманова В. И.

10