научная статья по теме О ТЕХНИЧЕСКОМ УРОВНЕ СОВРЕМЕННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Энергетика

Текст научной статьи на тему «О ТЕХНИЧЕСКОМ УРОВНЕ СОВРЕМЕННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ»

Принципы и методы построения датчиков, приборов и систем

УДК 681.586: 621.3.049.77

О ТЕХНИЧЕСКОМ УРОВНЕ СОВРЕМЕННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ (ИИС)

Л.В. Соколов, В.М. Школьников

Приводятся некоторые сведения по анализу технических характеристик современных интегральных датчиков давления в целях определения возможности их применения в бортовых системах самолетов.

Мероприятиями Федеральной целевой программы на 200СН2006 годы в разделе "Развитие технологической базы и создание конкурентоспособных ИЭТ" предусмотрены исследование и разработка базовых технологий и конструкционных принципов создания изделий мик-ромеханотроники для высокоинтег-рированных интеллектуальных микросистем [1].

Интегральные преобразователи давления (ИПД) относятся к "традиционным" изделиям микросистемотехники, а ИПД с трехмерными микромеханическими структурами, сформированными методами меха-тронной технологии, являются в то же время изделиями микромеханот-роники [2, 3].

Авиационно-космический комплекс считают основным заказчиком и финансистом "ранних" объектов микросистемотехники (1975— 1987 гг.) в виде микроэлектромеханических приборов, прежде всего, датчиков давления и акселерометров [4].

В настоящее время активно продолжаются исследования и разработки интегральных датчиков давления [5—8]. При этом объем рынка датчиков давления постоянно возрастает. Так, в 2002 г. ожидается значительное увеличение объема рынка, а именно, будет произведено 309 млн. шт. датчиков давления на сумму 1300 млн. долл. США [4].

Большинство микроэлектромеханических приборов изготовляются на кремниевой подложке с применением литографии [8].

Среди многообразия типов ИПД наибольшее распространение получили ИПД с упругими элементами (УЭ) в виде однородных по толщине кремниевых монокристаллических мембран, в теле которых с помощью стандартного планарного процесса сформированы тензочувствитель-ные элементы — пьезорезисторы, получившие название от одноименного эффекта — пьезорезистивного [9].

К основным достоинствам таких тензочувствительных элементов благодаря хорошо освоенной полупроводниковой совместимой технологии следует отнести высокую точность и стабильность в жестких условиях работы во время полета, возможность сопряжения с микропроцессорными системами и основными типами индикаторов, низкую стоимость и высокую надежность (среднее время наработки на отказ >100 000 летных часов для аэробусов [10]).

По сравнению с емкостным чувствительным элементом (ЧЭ) пьезорезистивный ЧЭ датчика давления обладает такими преимуществами как низкий импеданс, меньшая восприимчивость к электромагнитным помехам, меньшие размеры [11].

Очевидны и неоспоримы экономические преимущества интегральных датчиков давления (ИДЯ), придаваемые им групповым методом изготовления ИПД, особенно по сравнению с немикроэлектрон-ными датчиками, изготовляемыми индивидуально, например, тонкостенными цилиндрическими резонаторами (типа ДДГ), еще приме-

няемыми в авиации России, США, Германии и Китая; с сильфонными ЧЭ, применяемыми в авиации Франции (фирма Crouzet) [9, 12].

АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ДАТЧИКОВ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Датчики предназначены для измерения абсолютного, избыточного и дифференциального давлений воздушных, газообразных и жидких сред, т. е. механических параметров, и преобразования их в унифицированные электрические сигналы, пропорциональные измеряемому давлению (согласно ГОСТ 22520^85).

В гражданской авиации датчики давления применяются в большинстве общесамолетных систем [14], но информация о применении ИДД в какой-либо из систем отсутствует.

Однако за рубежом авиакомпании Luft-hansa, Air Inter и Air France уже более 10 лет используют на своих самолетах А.320 интегральную инерциально-аэрометрическую систему ADIRS фирмы Honeywell, в модули воздушных сигналов которой интегрированы полупроводниковые пьезорезистивные датчики давления. В последние годы система ADIRS стала штатным оборудованием самолетов А.320, А.330, А.340 [10]. Известно применение ИДД для контроля давления в гидравлических и пневматических системах на таких зарубежных самолетах, как М D 11, С 17, "Боинг 707, 737, 747-40".

26 _ Sensors & Systems • № 4.2001

Кремниевые И ИД рассматривались за рубежом как перспективные и для ряда других систем гражданских самолетов. Ддя гидросистемы: тормоза, сигналы сервоуправления, трансмиссия, смазка. Для двигателя: давление масла, крутящий момент в воздушном компрессоре. Для топливной системы: контроль работы насосов, регулировка подачи топлива. Для систем определения высоты и динамической скорости, отбора воздуха от двигателя, наддува кабины, кондиционирования воздуха, измерения давления в пневматике, борьбы с обледенением, измерения расхода жидкостей и газов. Интегральные датчики давления могут быть установлены и на наружной поверхности фюзеляжа самолета с целью измерения скорости воздушного потока [14].

К ИДД предъявляются высокие и противоречивые требования — обеспечения заданного технического уровня по точности измерений и чувствительности; долговременной стабильности; высокой надежности при одновременном снижении мас-согабаритных характеристик; потребляемой мощности; стоимости приборов.

По общим условиям эксплуатации датчики должны соответствовать требованиям ОСТ 103887—87.

Условия применения датчиков в авиационной технике предъявляют к ним ряд специфических требований, обусловленных воздействием дестабилизирующих факторов (линейных и вибрационных перегрузок, электромагнитных полей), наличием агрессивной среды (пары рабочей жидкости, топлива, масла, кислород, газообразный азот и др.).

Перечень конкретных требований уточняется в зависимости от назначения технических средств, в которых применяются датчики [15], например, технические требования к средствам измерения и индикации барометрической высоты (П8.2.3.), воздушной приборной скорости (П8.2.4.), вертикальной скорости (П8.2.5.); технические требования к манометрам топлива или масла (П8.8.7.), к сигнализаторам давлений топлива или масла (П8.8.11.) или перепада давления на топливном фильтре (П8.8.12.); технические требования к расходомерам топлива (П8.8.3.) и т. д.

Испытания интеллектуальных датчиков давления [16] в целях определения эффективности применения алгоритмических методов коррекции при воздействии на датчики дестабилизирующих факторов, таких как повышенная температура окружающей среды, рабочее избыточное

в

у

з Vo

<3 £

Ч Ч X х

л

X *

ш

ю >

о. (в

С!

О.

ш

Ё св о. (в х

¡¡Й

О ф

т

о

ж ?

о

ж

X

ш

X И

о е

sd so.« gq

CL К га ^ —1

о s

« А ' S

•Э-о.3 5

03 о н J

« К

-- ас с и к ч н

в

; о

га

о

ас s

а| &8. ■О- С

га § s

О. X К

© О

я ° га г нулевого сигнала и о го оа s

<и "в* С в S О. о & Ч чувст-ви-тель-ности in 0,03 0,22

Диапазон температур, "С компенсированных о ЧО + о 0...50

рабочих in 00 + о in 00 + о in 00 + о in 00 + о т

Основная погрешность, % 0,25 о" 0,25...0,5

Сопротивление, ^вх/ ^вых ■ кОм in in in in

Началь-ныйразба-ланс, мВ .+30 .+20

ЧО о гр

Верхний предел измерений / ив ном, кПа/мВ in о 110 / 5000+500 35/65

Питание 10В (ном) 12В (мах) 7В(ном) 24В (шах) током (Е= 12 В) 5...7 В

Временная нестабильность, %/год in о" о" о

Вид дав- i et < <

Q " и, в „

U 3 I и S g а, £ ас

3 О s о о О S С««

ЭЗ* Sigl

-go

■з

о Zl о о <! ч

Х чо С

—I X X &

= 3

м 9 в

Je

о

£ о

9М з я <£ "

Offl g

о U U ся

ся

и ся

го

о.

•в-К

я

£ э

„ Л

Ё в

оа

in

оа

о * о s

■§ о

О Q

«5S

i—I D.

^ Р

<• Н

in ас

<N S Си «

й- и § «

сз в

Датчики и Системы • № 4.2001

27

iN

«

У

to î-1

2

л

ш m н о ш

T

ш

H

о

H

о s о. ш

È га

Q. 8

iC О

ш т

о

¡¡й о

à

X

ш

ÎE К

g 1S

Да*

О s g

H ï

к .-о —Г' s н S

tvs* и aa

о

СЗ D. о с

PU

H о

s

О

S

Si

Si

s я

ш о

H S

я л e ч

г н

s £

<D 3 X § О £

г aï s

о

s r о

Ю

га -h

ï3Î

в О Hyo О Р-й«4

х Ь о

о О S

О с

S X

S ее ё1* &S

О ï

й s so

cef ы

Й и а 3 s

Г оа

Щ

g.8«® я О О ffjic

- D.SÎ3 bt

с s

оз

s " i л S

g S, ч н о

S 1 S y-t

D ttin О ^

1

оа s H

оа !

s 5

с

S О

H s

, 3"

s с s

га д

H « Й

-Es Э

ï Ш

~ r u

га ^

S H

D. О S S

e

CM CM CM CM

oooo

o'o'o'o"

CM CM CM CM OOOO

o'o'o'o"

о

o"o o'o"

го ГО ГО ro

ro ro ro ro

ir» о о M^inoo

03 03 03 03

U-! U-l

U-l U"!

o'o'o'o"

b «cfe

PC SRO I— oO — - О О s

X w" i

Up га«

s * as 5 S

IsCia

ra u

о 3 x в

s^o о "

8x

C3 ^

s S

о

CM

о

го о"

О О о

„ ts :

о''=2'о

J03

о

о h-

u

a

X 1

I- /V '

о с[см t

-Г- ~ —< ~

a

* >.c .o

S « " - CM

H - ^

a S s , я u JL,

g s

L—i s ^,

s

g О s -y

8 g

al

CM_

o"

CM_

o"

о о о „

in S

03

чо

X s? S Oo

M "

3S

S i ï ra о о D. S

-—-M. Г0 S-sl=tS m H w

ч'й о 2 D. S О О

О

оЧю о

- .о. . -(Ts—s о

^з га д

® s о

S о

S I О.

о га Н

о S о

D ffl и

О. га ч

3S О S О.

s •в-

9 s

X га в О о га

Е

о о

о с

s о

а

28 _ Sensors & Systems • № 4.2001

давление, электромагнитные помехи, показали, что коэффициент подавления погрешности при выбранном типе аппроксимации составлял 150...250, что свидетельствует о возможности обеспечения погрешности < 0,1 % . По мнению авторов [16] высокая воспроизводимость характеристик датчика после воздействия на него дестабилизирующих факторов может быть получена только при временной стабильности всех его функциональных узлов не хуже 0,05 % от величины сигнала на нижнем пределе измерения.

Наиболее жесткие требования к датчикам, применяемым в авиационно-космическом оборудовании, предусмотрены зарубежными стандартами МП^ТЭ 810Э и М1Ь-8ТО 461 В/462.

Результаты сравнительного анализа технического уровня отечественных ИДД с зарубежными и перспективности их применения в авиационном оборудовании самолетов гражданской авиации приведены в табл. 1 и 2.

АНАЛИЗ НОМЕНКЛАТУРЫ И ТЕХНИЧЕСКИХХАРАКТЕРИСТИК ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Таблицы 1 и 2 не претендуют на охват всей номенклатуры современных интегральных датчиков давления, отвечающих требованиям, предъявляемым к авиационному оборудованию самолетов. Основное назначение таблицы —

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.

Показать целиком