Конструирование и производство
датчиков, приборов и систем
УДК 621.38.049.77
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА С ПОМОЩЬЮ МАТРИЦЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ
И. В. Годовицын, П. А. Сывороткин, В. В. Панков, В. В. Амеличев
Рассмотрена разработанная и изготовленная в НПК "Технологический центр" измерительная линейка, предназначенная для визуализации воздушного потока, которая включает 16 миниатюрных кремниевых преобразователей давления, изготовленных на КНИ-структуре.
Ключевые слова: измерительная линейка, воздушный поток, преобразователь давления.
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на широкое развитие средств математического моделирования, при разработке изделий и конструкций, к аэродинамическим характеристикам которых предъявляются жесткие требования (летательные аппараты, автомобили, высотные здания и т. д.), по-прежнему применяется натурный способ получения данных о распределении воздушного потока — продувка уменьшенных копий изделий в аэродинамической трубе. Для изучения картины обтекания используются различные способы визуализации воздушного потока: с помощью струек дыма, формируемых в дымканале, с помощью шелковинок, прикрепляемых к поверхности изделия, или с помощью оптических приборов (для сверхзвуковых скоростей) [1, 2].
Получаемая картина воздушного потока называется аэродинамическим спектром тела. На основе анализа аэродинамического спектра может быть проведена эффективная оптимизация формы изделия или конструкции и достигнуты более высокие значения параметров назначения (например, скорость и расход топлива для летательных аппаратов и автомобилей, высота и ветроустойчивость для высотных зданий).
Прогресс в области развития кремниевых преобразователей давления дает возможность получения аэродинамических спектров с помощью прямого измерения давления воздушного потока. Для этого преобразователи давления размещаются на поверхности изделия в небольших отверсти-
ях. Выводы преобразователей располагаются внутри объекта, где подсоединяются к общей шине данных. При продувке изделия проводится сбор и накопление данных, которые затем используются для визуализации распределения воздушного потока с помощью компьютерной техники и специализированных программ. Для получения подробной картины распределения необходимо большое количество преобразователей, что предъявляет жесткие требования к их габаритным размерам. В наибольшей степени данным требованиям удовлетворяют миниатюрные тензорезистивные преобразователи давления.
Миниатюрные тензорезистивные преобразователи давления изготавливаются с помощью технологии поверхностной микрообработки кремния [3]. Мембрана преобразователей формируется с помощью осаждения диэлектрического слоя, ее толщина и разброс толщины определяются только параметрами процесса осаждения. Небольшая толщина мембраны (1,0...2,0 мкм) позволяет уменьшить ее площадь и, соответственно, снизить габаритные размеры кристалла преобразователя до нескольких сотен микрон.
Среди применений миниатюрных преобразователей давления можно отметить следующие:
— как имплантируемые датчики давления с возможностью длительного нахождения в теле человека [6];
— в системах распределенного измерения давления с высоким пространственным разрешением — тактильные датчики [7];
44
вепвогв & Эувгетв • № 11.2013
— в качестве зондов для измерения давления в труднодоступных местах [8].
Основным недостатком миниатюрных тензо-резистивных преобразователей давления [4] является низкая чувствительность вследствие использования в качестве материала тензорезисторов поликремния. Типовая чувствительность миниатюрного преобразователя давления в абсолютных величинах составляет 1...2 мВ (В-атм.)-1 [9—11]. Данной чувствительности недостаточно для эффективного использования миниатюрных преобразователей давления при снятии аэродинамических спектров с учетом рабочего диапазона давлений воздушного потока от 500 Па до 12 кПа [12].
В работе [13] впервые предложен реализованный миниатюрный тензорезистивный преобразователь давления с высокой чувствительностью (24 мВ (В • атм.)-1). Преобразователь имеет тензо-резисторы из монокристаллического кремния, формируемые из рабочего слоя КНИ-структуры (кремний-на-изоляторе), и мембрану из поликристаллического кремния. В преобразователе совмещаются достоинства традиционных и миниатюрных преобразователей давления — высокая чувствительность и небольшие габаритные размеры.
В данной статье на основе высокочувствительного миниатюрного преобразователя давления рассмотрена компактная измерительная система распределенного давления и продемонстрирована возможность визуализации воздушного потока с минимальным порогом чувствительности 280 Па.
ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ МИНИАТЮРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ
Конструкция миниатюрного преобразователя давления с тензорезисторами из монокристаллического кремния приведена на рис. 1. Для изготовления преобразователя применена КНИ-струк-тура. Тензорезисторы формируются из кремниевого рабочего слоя КНИ-структуры, для мембраны
Мембрапа Контакты Изолирующие слон
Анероидная коробка Опора в центре мембраны
Рис. 1. Конструкция преобразователя давления на КНИ-струк-туре
Таблица 1
Основные размеры структуры преобразователя
Параметр Значение, мкм
Толщина мембраны 1,2
Внутренний/внешний радиус мембраны 20/80
Толщина разделительного слоя 0,4
(зазор между мембраной и подложкой)
Толщина тензорезистора 0,4
Толщина изолирующего слоя 0,1
Толщина пассивирующего слоя 1,2
Таблица 2
Сравнительные параметры преобразователей давления
Параметр Преобразователь на КНИ-структуре ИПД-4 [14]
Чувствительность при +20 °С, мВ (В-атм)-1 ТКЧ, %/10 °С ТК0, %/10 °С Коэффициент нелинейности, % 24,6 -2,0...-3,2 -3,7...-4,8 5,2 11,9...16,6 —1,8...—2,5 <0,1 <0,2
используется поликристаллический кремний. Тен-зорезисторы и мембрана разделены диэлектрическим слоем, от подложки тензорезисторы изолированы слоем диэлектрика КНИ-структуры. Анероидная коробка преобразователя формируется путем удаления жертвенного слоя и капсулирова-ния окон, через которые проводилось удаление, благодаря чему обеспечивается чувствительность преобразователя к абсолютному давлению.
В предлагаемой конструкции за счет использования поликремниевой мембраны достигаются минимальные размеры чувствительного элемента, в то время как тензорезисторы из монокристаллического кремния обеспечивают высокую чувствительность преобразователя. Для формирования элементов конструкции используются стандартные процессы технологии ИМС. Основные размеры структуры преобразователя приведены в табл. 1.
Для использования в измерительной системе распределенного давления были изготовлены кристаллы преобразователя с габаритными размерами 1 х 8 мм (рис. 2). Вытянутая форма кристалла позволяет разнести чувствительный элемент и контактные площадки и тем самым обеспечить защиту электродных выводов при поверхностном монтаже кристалла без повреждения чувствительного элемента.
В табл. 2 приведены результаты измерения параметров высокочувствительного преобразователя давления в сравнении с расчетными данными
■
Рис. 2. Кристаллы преобразователя абсолютного давления
и параметрами преобразователя ИПД-4, серийно выпускавшегося в НПК "Технологический центр" МИЭТ в 1990—1995 гг. [14].
Результаты измерений позволяют сделать вывод, что в соответствии с особенностями конструкции разработанный преобразователь демонстрирует черты как традиционных, так и миниатюрных преобразователей давления. Полученные значения чувствительности и ТКЧ изготовленных преобразователей близки к значениям этих параметров традиционных преобразователей типа ИПД. В то же время нелинейность выходной характеристики и ТК0 имеют высокое значение, что характерно для миниатюрных преобразователей.
КОНСТРУКЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЛИНЕЙКИ НА ОСНОВЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ
Особенностью визуализации воздушного потока с помощью матрицы преобразователей давления является необходимость получения сигнала от большого числа преобразователей в реальном времени. Каждый преобразователь содержит мостовую схему с четырьмя выводами. При условии объединения вывода "земля" всех преобразователей и вывода "питание" всех преобразователей необходимо обеспечивать 2И + 2 шин вывода (И— число преобразователей). При большом числе преобразователей измерительная линейка может получиться очень громоздкой. Для сохранения приемлемых размеров линейки должны быть использованы элементы схемы управления, реализующие выборку отдельного преобразователя, считывание и обработку выходного сигнала.
С учетом данных ограничений количество преобразователей в линейке выбрано равным 16. Преобразователи расположены на расстоянии 12,7 мм, что позволяет измерять давление воздушного потока по фронту 20 см.
Кроме преобразователей линейка содержит следующие элементы:
— четыре преобразователя температуры;
— устройство выборки (мультиплексор);
— АЦП с интегрированным программируемым усилителем;
— управляющий микроконтроллер;
— интерфейсный преобразователь USB-UART (виртуальный COM-порт для ПК);
— прецизионный источник опорного напряжения.
Линейка не требует отдельного источника питания, питание осуществляется напряжением +5 В, поступающим с порта USB ПК. Для питания преобразователей давления, преобразователей температуры, а также для подачи в качестве опорного на АЦП и интегрированный АЦП микроконтроллера используется напряжение +2,5 В, номинал обеспечивается прецизионным источником опорного напряжения.
Выходной сигнал преобразователей давления поступает на вход аналогового мультиплексора, с помощью которого осуществляется выборка преобразователя и подача сигнала с его выхода на вход АЦП, который усиливает сигнал и преобразует его в цифровой код. Сигналы с выходов преобразователей температуры оцифровываются с помощью АЦП, интегрированного в микроконтроллер.
Микроконтроллер выполняет следующие функции: осуществляет управление мультиплексором, считывает данные с АЦП и управляет его работой, оцифровывает сигналы, поступающие с преобразователей температуры, обрабатывает собранные данные, принимает и обрабатывает команды, отправленные с ПК, передает на ПК резул
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.