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
.а
£ о
9М з я <£ "
Offl g
о U U ся
ся
и ся
1П
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.