Применение хорошо отработанных в ОАО "НИИФИ" МЭМС-технологий и специально разработанных СБИС "емкость — напряжение" позволяют реализовать датчики сейсмоскорости с характеристиками, обеспечивающими коэффициент преобразования и динамические характеристики на уровне лучшего зарубежного аналога.
Полученные характеристики позволяют обеспечить высокие конкурентные преимущества МЭМС-датчика сейсмоскорости на рынке приборов, предназначенных для мониторинга сейсмических событий техногенного и естественного происхождения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иориш Ю. И. Виброметрия. — М.: ГНТИМЛ, 1963. — 772 с.
2. Мокрое Е. А., Папко А. А. Статико-динамические акселерометры для ракетно-космической техники. — Пенза: ПАИИ, 2004. — 164 с.
Сергей Иванович Торгашин — директор по производству ОАО "НИИФИ";
Антонина Алексеевна Папко — д-р техн. наук, профессор, гл. конструктор направления ОАО "НИИФИ".
® (8412) 56-04-47 □
УДК 681.586
ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, УСКОРЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА БАЗЕ МЭМС-ТЕХНОЛОГИЙ
А. В. Блинов, А. Е. Мишанин, С. А. Москалев, И. В. Ползунов
Рассмотрены применение МЭМС-технологий для разработки интегрального многофункционального датчика физических величин, предназначенного для измерения давления, ускорения, температуры, а также принципы преобразования, заложенные при проектировании датчиков давления, температуры и ускорения. Отмечено, что интегральный многофункциональный датчик физических величин на основе МЭМС-технологий отличается рядом положительных свойств в сравнении с датчиками давления, ускорения и температуры, связанных с уникальными конструктивными и технологическими решениями.
Ключевые слова: датчик давления, МЭМС-акселерометр, датчик температуры, МЭМС-технологии, интегральный многофункциональный датчик физических величин.
Стремительное развитие технологий в различных отраслях науки и техники обеспечивает возможность качественной модернизации не только существующих образцов ракетно-космической техники (РКТ), но и создание техники с новыми свойствами. При разработке перспективной РКТ все больше применяют цифровую технику на основе микроэлектромеханических систем и технологий их изготовления (МЭМС-технологии) с целью уменьшения размеров и стоимости при одновременном увеличении точности и быстродействия. Одним из главных направлений совершенствования РКТ является повышение надежности, что немыслимо без использования большого числа датчиков различных физических величин для получения достоверной информации о реальном состоянии изделия на всех этапах отработки и штатной эксплуатации, т. е. необходимо создание систем распределенного контроля, позволяющих оперативно контролировать параметры конструктивных элементов РКТ, а также аэродинамические параметры внешних воздействий.
Перспективным направлением, призванным удовлетворить возросшие потребности РКТ, является разработка интегрального многофункционального датчика физических величин в едином микромодульном испол-
нении (ИМММ — интегральный многофункциональный микромодуль) на основе МЭМС-технологий, способного измерять сразу несколько физических величин: абсолютное давление, ускорение, температуру, и таким образом повысить как информативную насыщенность о контролируемых параметрах, так и возможность использования датчиков в системах распределенного контроля.
МЭМС-технологии основаны на тех же технологических приемах, что и интегральные микросхемы (ИМС), поэтому датчики на основе МЭМС-технологий наследуют большинство преимуществ ИМС, которые связаны с возможностью интеграции электроники с механическими, оптическими и прочими узлами. Основными преимуществами датчиков на основе МЭМС-тех-нологий являются следующие: малый разброс параметров в пределах изделия, высокая технологичность и повторяемость, микроминиатюрность, высокая функциональность, улучшенные характеристики функционирования, высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям, низкая стоимость [1, 2].
Технологическая и конструктивная сложность проектирования многофункционального датчика, соединяющего в себе новейшие достижения схемотехники,
микроэлектроники и МЭМС-технологий, заключается в исследовании каждого принципа преобразования физической величины в электрический сигнал и недопустимости влияния измеряемых величин друг на друга.
Датчики давления на основе МЭМС-технологий используются в экстремальных условиях работы (вибрации, акустические шумы, линейные ускорения, механические и гидравлические удары и т. п.), они отличаются минимальными массой и электропотреблением [3-7].
Датчики ускорения или акселерометры, выполненные на основе МЭМС-технологий, предназначены для преобразования линейных ускорений в электрический сигнал. Внедрение МЭМС-технологий в процесс изготовления акселерометров позволило за истекшее десятилетие уменьшить их стоимость на порядок при одновременном расширении функциональных возможностей (внутренних проверок, самодиагностики и коррекции) [8, 9].
Датчики температуры, изготовленные по МЭМС-технологии, отличаются высокой точностью, надежностью, быстродействием измерений, стабильностью результатов, малыми габаритными размерами и массой, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации, низкой трудоемкостью изготовления и небольшой стоимостью [10, 11].
Таким образом, применяя МЭМС-технологии при создании датчико-преобразующей аппаратуры (ДПА) нового поколения, можно изготавливать в едином технологическом цикле ЧЭ датчиков сразу нескольких физических величин - давления, ускорения, температуры.
Примером ЧЭ датчика давления, ускорения и температуры является лабораторный образец разработанного в ОАО "НИИФИ" интегрального многофункционального микромодуля (ИМММ), модель которого представлена на рис. 1. Для получения необходимых
геометрических размеров формируемых кремниевых структур каналов давления и ускорения было проведено моделирование процессов анизотропного травления кремния с целью оценки влияния технологических режимов на параметры получаемых структур. Моделирование процесса формообразования требуемой структуры путем анизотропного травления кремния производилось с использованием программы ACES.
Технологический маршрут изготовления ИМММ включает в себя пять операций анизотропного травления кремния для формирования профиля ЧЭ и 11 операций фотолитографии для формирования электрической схемы ЧЭ, при этом обеспечивается изготовление 84 образцов ИМММ в партии из шести кремниевых пластин 0 60 мм.
Кремниевый кристалл 1 соединен электростатическим способом в вакууме со стеклянным основанием 2 и верхней защитной стеклянной крышкой 3. Между кристаллом 1 и стеклянным основанием 2 находится вакуумированная полость, обеспечивающая измерение абсолютных давлений. На профилированном участке кремниевой пластины размещена измерительная тен-зосхема, состоящая из тензорезисторов R1— R4, формирующих канал давления, терморезистор R5 обеспечивает термокомпенсацию канала давления.
Канал измерения ускорения содержит инерционную массу 4, поддерживаемую гибкой упругой перемычкой 5. На упругой перемычке сформирована тензосхема, состоящая из тензорезисторов R6—R9, обеспечивающая измерение ускорения. В верхней защитной стеклянной крышке 3 имеется зазор для возможности передвижения инерционной массы 4.
Тензорезисторы R10, R12 и терморезисторы R11, R13 образуют мостовую схему канала температуры с под-строечными резисторами R14 и R15.
Рис. 2. Изготовленный интегральный монолитный многофункциональный модуль
10 _ Sensors & Systems • № 9.2012
Полученный ЧЭ непосредственно воспринимает давление рабочей среды и линейное ускорение и преобразует их в аналоговый милливольтовый сигнал. Одним из условий стабильного функционирования ЧЭ является согласование КТЛР кремниевого кристалла и стеклянных крышек. Это условие выполняется применением стекла ЛК-105 либо стекла С35-1. Также необходимо обеспечить оптимальное качество поверхности стеклянных крышек для качественного соединения деталей. Стекло должно быть отполировано до Яа < 0,05.
На рис. 2 изображен изготовленный ИМММ на основе полупроводникового кристалла. Габариты модуля 8 х 8 х 2,4 мм.
Разработанные ИМММ не уступают отечественным и зарубежным аналогам, а по некоторым показателям даже превосходят их. В ходе испытаний экспериментальные образцы ИМММ подтвердили работоспособность канала давления на диапазон 0...25,0 МПа, канала ускорения на диапазон до 5000 м/с2 и канала температуры на диапазон от —50 до +120 °С с обеспечением заданных погрешностей измерений. Так, например, основная погрешность канала давления составляет менее 0,5 %, канала ускорения — менее 0,2 % и канала температуры — менее 1 %. Результаты испытаний приведены в таблице.
Таким образом, бескорпусной вариант исполнения, монолитная конструкция, миниатюрность размеров и массы позволяют использовать ИМММ в системах распределенного контроля конструктивных элементов авиационной и ракетно-космической техники, т. е. при организации системы однотипных преобразователей с
Результаты испытаний ИМММ
Контролируемый параметр Значение
Канал давления
Диапазон измерения, МПа 0...25,0
Выходной сигнал при номинальном давлении, мВ 76,02
Основная погрешность, % 0,435
Диапазон рабочих температур, °С —50...+120
Температурный уход нуля, %/°С —0,015
Канал ускорения
Диапазон измерения, м/с2 ± 5000
Основная погрешность, % 0,19
Коэффициент преобразования, мкВ-с2/м 40,26
Диапазон рабочих температур, °С —50...+120
Температурная погрешность, % 0,34
Канал температуры
Диапазон измерения канала температуры, °С —50...+120
Выходной сигнал канала температуры, В 1,58
Основная погрешность канала температуры, % 0,923
различными параметрами, образующих измерительную "сетку", появляется возможность измерения в одной точке нескольких физических величин (абсолютного давления, ускорения, температуры).
Разработанная топология обеспечила исключение погрешностей, связанных с взаимовлиянием измерительных параметров друг на друга. Оптимальное размещение контактных площадок (по краю ИМММ) обеспечивает возможность передачи информации с помощью гибкого шлейфа, отличающегося высокой надежност
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.