научная статья по теме МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГИБРИДНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ Энергетика

Текст научной статьи на тему «МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГИБРИДНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ»

-К /5-летию кафедры "Проектирование и технология производства электронной аппаратурыМГТУ им. Н. Э. Баумана

Предлагаемая читателям подборка статей приурочена к 75-летию кафедры "Проектирование и технология производства электронной аппаратуры" МГТУ им. Н. Э. Баумана. В подборку вошли статьи, посвященные проблемам конструк-торско-технологической информатики в радиоэлектронике и практическому применению распределенных информационно-управляющих встраиваемых систем.

В статьях представлены результаты прикладных исследований сенсорных систем, предложены их математические модели. Рассмотрены методики визуального проектирования сложных технических систем. Представлена архитектура стенда испытаний датчиков давления.

Полученные результаты являются фундаментальной основой для реализации сенсорных сетей нового поколения.

УДК 621.821.8.681.586^326:001.57

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГИБРИДНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ1

К. А. Андреев, Ю. Н. Тиняков, В. А. Шахнов

Исследуются прикладные вопросы реализации новых поколений чувствительных элементов датчиков давления, вопросы их защиты от электромагнитных помех, самодиагностики, взрывобезопасного исполнения и т. д. Основное внимание уделяется моделям чувствительных элементов преобразователей на основе интеграции объемного кремния, кремниевых и микроэлектронных элементов и наноструктурированных материалов. Полученные результаты будут использованы для реализации интеллектуальных и энергоэффективных сенсорных сетей нового поколения. Ключевые слова: гибридные чувствительные элементы, датчики давления, сенсорные системы.

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе представлены результаты прикладных исследований гибридных чувствительных элементов датчиков давления (объемного кремния, кремниевой мембраны, контактных площадок и металлизации, углеродных нанотрубок с размерами 1,5...50 нм и резисторов на основе легированных областей кремния) и свойств углеродных микро- и наноструктур как компонентов гибридных чувствительных элементов. Исследованы такие свойства нанотрубок как свободный транспорт электронов; степень делокализации электронов в зависимости от длины нанотрубки; степень проводимости и возможности раскачки кремневых чувствительных элементов; вид (однослойная,

1 Работа выполнена в рамках НИОКР по государственному заданию 7.6161.2011 "Гибридные чувствительные элементы интеллектуальных сенсоров распределенных управляющих систем ".

многослойная); количество (единственная или в ансамбле); способность к проявлению тензомет-рического или других физических эффектов, в том числе квантовых, которые будут использованы для разработки методов интеграции кремниевых и углеродных наноструктур и изготовления гибридных наноразмерных чувствительных элементов МЭМС/НЭМС — датчиков давления.

В настоящее время в РФ и за рубежом выпускается множество различных микромеханических приборов измерения давления, использующих кремний как основу для создания чувствительного элемента. Кремний как конструкционный материал для датчиков известен давно. В СССР первая публикация о разработке тензопреобразователей представлена в работе В. И. Ваганова "Интегральные тензопреобразователи", в которой рассмотрены теоретические основы построения тензорезис-тивных датчиков различного давления и приведены возможные конструктивные реализации.

Системное описание конструкций и технологий микросистемных датчиков рассмотрено в работах В. Я. Распопова, Б. Г. Коноплева, В. И. Ваганова и др. [1, 2]. В монографиях приведено полное описание конструкций и принципов работы микромеханических приборов, технологических процессов их изготовления. Также монография В. Я. Распопова содержит подробную методику вывода уравнений движения чувствительных элементов, передаточные функции и особенности динамики чувствительных элементов микромеханических приборов.

Развитие наноинженерии и технологий синтеза наноструктурированных материалов позволило создавать новые устройства микросистемной техники, обладающие минимальными габаритами и улучшенными характеристиками. В работах В. Б. Фенолова и Э. Г. Ракова [3] представлены материалы по структуре нанотрубок и методикам синтеза наноматериалов. Основные характеристики углеродных нанотурбок исследованы Фае-доном Аворисом. Методы получения углеродных нанотрубок рассматриваются в работах В. П. Вей-ко, М. В. Акуленка, Б. Г. Будагяна и др. [4—6].

Методы производства углеродных нанотру-бок каталитическим пиролизом из газовой фазы этанола предложены в работах Э. Г. Ракова, В. М. Глазова и др. Они базируются на положениях классической теоретической физики. Один из способов получения углеродных нанотрубок и нановолокон на катализаторах произвольной формы предложен М. М. Симуниным, К. В. Горшковым и И. И. Бобринецким [7—11]. Методы формирования устройств на основе углеродных нано-материалов изучались иностранными авторами и представлены в работах [12, 13].

Бурное развитие вычислительной техники открыло новые возможности в исследовании различных физических процессов и создании приборов с заданными техническими характеристиками. Современные технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента позволяют эффективно решать многие научные и технические задачи.

Целью данной работы является систематизация методов и средств интеграции кремниевых материалов и наноматериалов для синтеза нано-размерных, сверхчувствительных элементов преобразователей физических величин для распределенных интеллектуальных информационно-управляющих систем.

Научная новизна исследований заключается в создании комплекса физико-технологических процедур формирования планарных структур мик-

ро- наносистем на основе квазиодномерных проводников различного состава (металлические, углеродные) и геометрии (наносужения, нанокон-такты, нанотрубки), демонстрирующих общие механизмы в поведении электрических характеристик. Реализация чувствительных интегрированных элементов датчика давления с использованием нанотрубок имеют высокий уровень новизны.

Предметом исследования являются процессы получения углеродных нанотрубок для интеграции с эффективными способами преобразования давления.

Полученные в результате исследования результаты могут быть использованы в следующих областях [16—18]:

—при разработке процессов получения углеродных нанотрубок;

—в проектировании модулей обработки сигналов чувствительного элемента сенсора;

—для получения омических контактов, импе-дансов, при исследовании тензометрических и иных физических эффектов;

—при разработке и создании экспериментального образца модуля обработки сигнала сенсора и создании беспроводной АСУ;

—при многомасштабном проектировании и изготовлении гибридных чувствительных элементов преобразователей датчиков давления;

—в создании программного обеспечения для ПЭВМ для мониторинга, настройки и управления интеллектуальной сетью разработанных сенсоров.

В рамках исследований проанализированы принципы преобразования физических величин (давления) в электрический сигнал на основе применения углеродных нанотрубок: с полупроводниковыми, металлическими свойствами, однослойных, многослойных, единственных и в ансамбле. Составлена классификация принципов преобразования физических величин в электрический сигнал. Проведен анализ упругих свойств нанотрубок, а также выявлена зависимость напряжения нанотрубок от давления, получены аналитические зависимости давления от напряжения. Предложены математические модели для гибридных чувствительных элементов датчиков давления, представлена архитектура стенда испытаний датчиков давления и разработано программное обеспечения стенда испытаний датчиков давления, составлена методика испытаний.

Полученные результаты являются фундаментальной базой для реализации интеллектуальных и энергоэффективных сенсорных сетей нового поколения. Одними из самых важных преимуществ

разрабатываемых преобразователей являются повышение чувствительности и снижение температурной зависимости преобразователей, а также уменьшение их габаритов. Научные и практические результаты определяют направления дальнейших исследований проблем интеграции кремниевых структур и наноматериалов для целей создания распределенных устройств информационно-управляющей системы.

МОДЕЛЬ МЕМБРАНЫ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ТЕНЗОДАТЧИКА

При создании конструкций чувствительных элементов датчиков требуется определиться с размерами интегрального преобразователя (чаще всего мембраны) в датчиках давления. При измерении малых давлений необходимо увеличивать площадь мембраны, но возможности технологического оборудования ограничиваются размерами 6—7 мм. Уменьшение размеров приводит, с одной стороны, к возможности изготовления большего количества чувствительных элементов на одной кремниевой пластине, а с другой — к уменьшению чувствительности датчика. Однако, уменьшение размеров позволяет значительно увеличить собственную частоту конструкции и, тем самым, расширить рабочий диапазон частот.

Моделирование с целью определения геометрических размеров мембран для разных диапазонов измеряемых давлений проведем методом конечных элементов в программной среде ЛК8У8. Твердотельные трехмерные модели построены в программной среде SolidWorks. Измерения проводятся для мембран из монокристаллического кремния с плоским профилем (рис. 1) и с жестким центром (рис. 6), сформированных в кристаллографической плоскости (100).

Общий размер кристалла 4 х 4 мм с размером активной части 2 х 2 мм и толщиной неподвижной рамки 460 мкм.

Моделирование проводилось с материалами, имеющими следующие характеристики: плотность

Рис. 1. Твердотельная трехмерная модель кремниевого кристалла с вырезанной четвертью

2330 кг/м3, анизотропная упругость Б (в матричном виде), Па:

Б =

1,66x1с11

6,4хЮ10 1,66x1с11

6,4х1010 6,4х1010 1,66x1с11

с с с 8,сх1с10

с с с с 8,сх1с10

с с с с с 8,сх1с10

На рис. 2 (см. цветную вклейку) показана сетчатая модель кристалла, изометрия мембраны в объемном кремнии.

Исследования проводятся для равномерно нагруженной пластины с жестко зафиксированной рамкой кристалла.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛОСКОЙ КРЕМНИЕВОЙ ПЛАСТИНЫ

На

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

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»