Расширение функциональных возможностей датчиков неэлектрических величин

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

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.