Конструирование и производство
датчиков, приборов и систем
УДК 681.586'326
МАЛОГАБАРИТНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЕВЫХ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
MINIATURE PRESSURE SENSORS BASED ON SOI PRIMARY
TRANSDUCERS
1) Львов Алексей Арленович
д-р техн. наук, профессор E-mail: alvova@mail.ru
2) Коновалов Роман Станиславович
начальник конструкторского бюро E-mail: gtdnp@mail.ru
1) Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина, г. Саратов
2) ОАО "Энгельсское опытно-конструкторское бюро "Сигнал" им. А. И. Глухарева",
г. Энгельс-19
Аннотация: Рассмотрены конструкции датчиков давления с применением кремниевого чувствительного элемента на основе поликристаллических структур с диэлектрической изоляцией. Приведен расчет разделительной мембраны для защиты чувствительного элемента от агрессивной рабочей среды.
Ключевые слова: датчик давления, чувствительный элемент, мембрана, полиметилсилоксановая жидкость, токовая петля.
1) L'vov Alexey A.
D. Sc. (Tech.), Professor E-mail: alvova@mail.ru
2) Konovalov Roman S.
Head of Design Bureau E-mail: gtdnp@mail.ru
1) Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov city
2) "Signal" Engels Design Bureau named after A. I. Glukharev, OJSC, Engels-19 city
Abstract: Construction of pressure sensors based on SOI primary transducers was reviewed. Diaphragm for protection primary transducer against aggressive environments was calculated.
Keywords: pressure sensor, primary transducer, diaphragm, polymethylsilicone fluid, current loop.
ВВЕДЕНИЕ
Датчики давления, температуры и перемещения — неотъемлемая составная часть всех авиационных транспортных средств. Наиболее востребованы в авиационной технике датчики давления (ДД) для топливных и гидравлических систем. Одной из задач, с которыми сталкиваются разработчики в процессе проектирования
датчиковой аппаратуры, является сохранение работоспособности и заданных технических характеристик ДД при воздействии различных дестабилизирующих факторов внешней среды (табл. 1).
Предел основной погрешности измерения ДД при воздействии указанных в таблице факторов по требованиям разработчиков перспективных объек-
тов авиационной техники в настоящее время составляет не более 0,15 % от верхнего предела измерения (ВПИ).
Разработка соответствую -щих указанным требованиям ДД, применяемых в силовых установках, гидравлических и топливных системах нового поколения, требует нового подхода к проектированию датчико-вой аппаратуры.
Рис. 1. Конструкция датчика давления с применением пьезорезистивного преобразователя из монокристаллического кремния
В настоящее время реализовано множество типов ДД, в которых использованы различные принципы преобразования абсолютного и избыточного давления измеряемой среды (пьезо-резистивный, пьезоэлектрический, емкостной, резонансный и др.) в выходной сигнал.
Пьезорезистивный метод [1] преобразования давления относится к наиболее перспективным методам, позволяющим создать серийно выпускаемые ДД для авиационной техники, удовлетворяющие заложенным техническим требованиям.
КОНСТРУКЦИЯ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ
Использование в конструкции ДД-преобразователей с сформированными пьезорезис-торами, включенными по схеме моста Уитстона и изолированными с помощью р-п-перехо-дов, ограничивает применение данного типа ДД на высоких температурах. Граница верхнего предела температуры для кремниевых преобразователей составляет +125 °С. Такое ограни-
чение вызвано шириной запрещенной зоны материала. Для достижения работоспособности ДД с сохранением заданных характеристик на расширенном диапазоне температур до 200 °С требуется разработка нового конструктивного исполнения пьезорезистивного преобразователя. В процессе проведения опытно-конструкторской работы, проведенной на базе предприятия ЭОКБ "Сигнал" им. А. И. Глухарева, был разработан ДД с применением пьезо-резистивного преобразователя из монокристаллического кремния (рис. 1).
Технические характеристики датчика давления с применением пьезорезистивного преобразователя из монокристаллического кремния
Диапазон измерения давления, кгс/см2................0,3...45
Перегрузочное давление,
кгс/см2 абс......................1,5рном
Рабочая температура,
°С ..................................-60...+200
Погрешность измерения в рабочем диапазоне от верхнего предела диапазона измерения давления (при всех условиях эксплуатации), %, не более: ............ ±0,5
Выходной сигнал, мВ . . . 100...120
Постоянный ток питания, мА................. 4 ± 0,2
Вибрация в диапазоне частот 10...2000 Гц, %____ 10
Достижение работоспособности ДД в расширенном температурном диапазоне достигнуто за счет осуществления изоляции тензорезисторов с использованием диэлектрических слоев [3], а не традиционных р-п-переходов.
Конструктивно датчик выполнен в виде моноблока и состоит из интегрального преобразователя (ИП) абсолютного или избыточного давления 3 в зависимости от исполнения, штуцера для монтажа на объект 4, электрического соединителя типа СНЦ 7, защитного кожуха,
Таблица 1
Основные воздействующие факторы
Воздействующий фактор Характеристика воздействующего фактора Значение воздействующего фактора
Пониженная температура окружающей среды, °С Рабочая -55
Предельная -65
Повышенная температура окружающей среды, °С Рабочая 125
Предельная 200
Акустический шум Диапазон частот, Гц 10 000
Уровень звукового давления, дБ 150
Случайная широкополосная вибрация Диапазон частот, Гц 500...2000
Спектральная плотность виброускорения, % 2/Гц 0,025
30
вепвогв & Эувгетв • № 8.2015
разделительной мембраны 1, трубки для заполнения разделительной жидкостью 5, металло-стеклянного корпуса 6 и крем-нийорганической жидкости 2.
Интегральный преобразователь 3 выполнен в виде кремниевого упругого элемента и образованных на нем кремниевых пьезорезистивных структур с диэлектрической изоляцией ^Ю2) [3]. Пьезорезисторы сформированы в виде моста Уитстона (рис. 2).
Как известно, выходной сигнал (Твых) в схеме Уитстона определяется по формуле
ТТ = Е - Я2 Я4
Твых Епит ( Я- + Я4 ) ( Я2 + я3 )
и, если все сопротивления равны, то при подаче питания сигнал на выходе будет нулевым. Однако на практике сопротивления резисторов равны друг другу с некоторыми отклонениями от номинального значения. Из-за этого на выходе возникает сигнал ошибки, вызванный разбросом сопротивлений — начальный разбаланс моста. Монтаж ИП осуществляется к металл остеклянному корпусу через компенсирующую подложку из термостойкого стекла для уменьшения влияния на ИП механических напряжений, возникающих в конструкции датчика от внешних воздействующих факторов (ВВФ). Металлостек-лянный корпус 6 изготовлен из коррозионностойкой стали с температурным коэффициентом линейного расширения, близким к таковому для стекла. В корпусе с помощью металло-стеклянного спая вакуумплотно вмонтированы выводы для со-
Рис. 2. Мостовая схема Уитстона
единения ИП с электрическим соединителем 7.
Для защиты ИП от воздействия агрессивной среды к корпусу 6 методом лазерной сварки приварена мембрана из корро-зионностойкой стали.
Геометрические размеры мембраны и ее ход при изменении измеряемого давления определяются следующими соотношениями:
= Лррном Я4Н /(Ек3),
где ^М—ход мембраны, мм; Ян — наружный радиус мембраны, мм; г0 — радиус жесткого центра, мм; Е = = 1 820 000 кгс/см2 — модуль упругости; рном — номинальное давление, кгс/см2; к — толщина мембраны, мм;
Лр = 3(1 - ц2) х
х (к4 - 4к21пк - 1)/(16к4),
к = ^г^
где ц — коэффициент Пуассона.
В качестве передаточного звена от измеряемой среды к ИП выбрана полиметилсилок-сановая жидкость (ПМС) 20р, коэффициент температурного расширения которой приблизительно одинаков с температурным коэффициентом расши-
рения корпуса. ПМС широко используется технике благодаря высокой теплопроводности и химической инертности. Заполнение датчика разделительной жидкостью ПМС производилось в высоком вакууме (1x10 4 мм рт. ст.) через впаянную в корпус 6 стальную трубку 5 (см. рис. 1). Перед заполнением жидкость ПМС необходимо дегазировать при температуре +60 °С в течении 2 ч.
Разработанная конструкция датчика благодаря наличию диэлектрических слоев в интегральном пьезопреобразователе обеспечивает работоспособность ДД в расширенном диапазоне рабочих температур -60...+200 °С, смещенном в сторону высоких температур относительно температурного диапазона традиционных ДД. Другой особенностью датчика является наличие встроенной температурной компенсации чувствительности в ИП при питании от генератора тока.
Изготовленные опытные датчики абсолютного давления подтвердили заявленные характеристики при основных ВВФ на конструкторских испытаниях, проведенных на базе предприятия ОАО ЭОКБ "Сигнал" им. А. И. Глухарева.
Перечень оборудования, используемого при проведении испытаний, указан в табл. 2.
Расчет отклонений от индивидуальной линейности был проведен на основании соотно-шения[4]:
У = Яср Я х100 %;
Ттах - Т0
Тср = (Тпр + Тобр)/2;
ип = То + п( Ттах - То)/5,
Таблица 2
Характеристики испытательного оборудования
Наименование прибора (оборудования) Тип или обозначение Диапазон измерения Класс точности, погрешность
Вольтметр Задатчик давления Источник питания постоянного тока Камера тепла/холода Agilent 34970F Mensor CPC 6000 NI-4110 ESPEC SU-261 0...30 В 0...51 бар 0...100 В 0... 2 А от -60 до +150 0,005 % от ИВ 0,01 % от ВПИ 0,15 % от ИВ ±1 °С
где иср — среднее значение выходного сигнала; итах и Ц) — соответственно верхний и нижний пределы измерений выходного сигнала; ип — линейная расчетная характеристика.
Следующим этапом разработки ДД с применением ИП может стать применение усилительных и корректирующих электрических схем для создания интеллектуального ДД на расширенный температурный диапазон. Наиболее подходящей схемой для реализации такой задачи является применение формирователя сигнала параметрических датчиков [4].
ВЫВОДЫ
Малогабаритные ДД нового поколения разработанные в ОАО
ЭОКБ "Сигнал" им. А. И. Глухарева и изготовленные с использованием материалов, элементов и комплект
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.