автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Энерго-информационные модели микроэлектронных датчиков давления

на правах рукописи

Шикульский Михаил Игорьевич

ЭНЕРГО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.05 Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань 2005

Работа выполнена на кафедре "Информационная безопасность" Астраханского государственного технического университета

м

II

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Попов Г.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Камаев В.А.

кандидат технических наук, доцент Ветрова А. А.

Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное предприятие научное конструкторско-технологическое бюро «Вихрь»

Защита состоится " 15 " декабря 2005 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 307.001.01 при Астраханском государственном техническом университете по адресу: 414025 г. Астрахань, ул. Татищева, 16.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 414025. г. Астрахань, ул. Татищева, 16, АГТУ, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 14 " ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., проф.

Г.А. Попов

2О04- 4 /7233

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Потребность в первичных преобразователях — датчиках стремительно растет в связи с быстрым развитием автоматизированных систем контроля и управления, переходам к гибким автоматизированным производствам. Современные датчики, помимо высоких метрологических характеристик, должны обладать высокой надежностью, стабильностью, малыми габаритными размерами и массой. Этим требованиям в большой степени удовлетворяют микроэлектронные датчики (МЭД).

По структуре производимых микроэлектронных датчиков по величинам доминируют на рынке измерительных приборов являются датчики для измерения давления (25%).

Разработка преобразователей — исключительно наукоемкая область, синтезирующая достижение механики, физики и химии твердых тел, жидкостей и газов, теплофизики, прикладной математики, теории упругости, электроники, теории измерений, метрологии и др. Анализ и проектирование преобразователей существенно затрудняется тем, что описание физических процессов, на которых основан принцип их действия, как правило, ведется на языке, присущем данному классу физических явлений. При этом описания различных классов физических явлений существенно отличаются друг от друга. При разработке элементов систем управления инженер должен использовать максимально возможный объем знаний о физических эффектах и явлениях, накопленных в мире. Проектирование МЭД требует привлечения значительного числа высоко квалифицированных в различных областях науки и техники специалистов. В связи с этим разработка и организация производства МЭД требует достаточно больших материальных и временных затрат.

Снизить затраты на проектирование МЭД возможно путем создания САПР. Известные классические методы расчета отдельных элементов преобразователей позволяют создавать не связанные между собой программные модули, автоматизирующие расчет этих элементов для конкретных условий их эксплуатации. Кроме того, они не учитывают анизотропность свойств полупроводниковых материалов микроэлектронных преобразователей. Вместе с тем исследования современных ученых (к.т.н Г1.Г. Михайлова (каф. «Приборостроение» Пензенского гос. Университета и НИИ физических измерений (НИИФИ г. Пенза), к.т.н В.А. Васильева (Новосибирский университет), ученых школы д.т.н. М.Ф. Зарипова и д.т.н. И.Ю. Петровой) показывают, что обеспечение постоянно возрастающих требований к техническим характеристикам преобразователей может быть выполнено только при условии системного комплексного подхода, как к задачам улучшения эксплуатационных характеристик преобразователей, так и к представлению всех сис-

ЮС. НАЦИОНАЛЫ ДЯ '

»М6ДИ0ТСКЛ

тем преобразования информации как единого целого, во взаимосвязи друг с другом. Такой подход требует унификации представления информации о различных классах физических явлений. Наиболее удачно эту задачу решает теория энерго-информационных моделей цепей (ЭИМЦ) и аппарат параметрических структурных схем (ПСС), созданный профессором М.Ф. Зарипо-вым и его школой. Представлению физических знаний для автоматизированных систем обработки информации посвящены работы профессора Камаева В. А., проблемам анализа и синтеза принципа действия и морфологического синтеза новых технических решений, разработке различных физико-технических эффектов (ФТЭ), учету их нелинейности и распределению параметров посвящены работы различных ученых Астраханской, Уфимской, Самарской научных школ. В настоящее время описано посредством теории ЭИМЦ около 250 физико-технических эффектов (ФТЭ) из 5000 известных. Однако, во-первых, ФТЭ в полупроводниковых преобразователях, имеющие свою специфику, представлены на основе теории ЭИМЦ недостаточно, а во-вторых, при высоком уровне разработки задач поискового (качественного) проектирования, исследование проблем количественного проектирования (расчета элементов технических систем) на основе теории ЭИМЦ только начато. Эта работа требует логического продолжения, поэтому задача разработки энерго-информационных моделей микроэлектронных датчиков давления с целью автоматизации их проектирования является актуальной.

Цель диссертационной работы — разработка энергоинформационных моделей микроэлектронных датчиков давления, создание на основе разработанных моделей инженерных методик и программного обеспечения для расчета микроэлектронных датчиков давления, предназначенного для повышения эффективности их проектирования.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи"

• Проведение ретроспективного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков давления путем патентных исследований глубиной 10 лет.

• Разработка ПСС цепей преобразования механических величин упругих элементов микроэлектронных преобразователей в электрические.

• Разработка энергоинформационных моделей мембраны и диафрагмы.

• Разработка энерго-информационных моделей микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления.

• Разработка инженерной методики и программного обеспечения для расчета микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления.

• Разработка методики энерго-информационного моделирования на основе БАОТ-технологии.

Методы исследования. В работе использованы методы теории энергоинформационных моделей цепей различной физической природы и аппарат параметрических структурных схем, методы расчета напряженного и деформированного состояния плоских пластин, аппарат цепных дробей, методы структурного анализа, моделирования, проектирования и программирования.

Научная новизна. В результате выполнения данной работы выявлены, теоретически обоснованы и подтверждены вычислительным экспериментом:

1. введение в теорию ЭИМЦ и аппарат ПСС нового понятия — параметр величины.

2. энерго-информационные модели микроэлектронного емкостного, резо-наторного и тензорезисторного датчиков давления их элементов.

3. методика энерго-информационного моделирования с применением SADT-технологии.

Практическая значимость.

1. Разработаны инженерные методики и алгоритмы расчета микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления, что позволило автоматизировать расчет.

2. Разработано программное обеспечение для расчета микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления. Программная разработка автора внедрена в АстраханьНИПИгаз и на машиностроительном заводе «Прогресс». Внедрение ПО позволяет повысить качество научных изысканий и сократить время проведения научно-исследовательских работ в 2-3 раза.

3. Разработана энерго-информационная модель микроэлектронного емкостного датчика давления на основе SADT-технологии. Использование SADT-технологии повышает производительность построения ЭИМ и ее информативность, улучшает ее восприятия.

Апробация работы. Отдельные материалы, входящие в диссертацию, обсуждались на XL VII Научной конференции профессорско-преподавательского состава г. Астрахань, 2003г., XLVIII Научной конференции профессорско-преподавательского состава г. Астрахань, 2004г., на XVII Международ, научн. Конф. «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-17» (г. Кострома, 2004г.), на международной конференции (Волгоград, 2004 г.), на III Всероссийской научно-практической конференции (г. Анжеро-Суджинск), на научно-технической конференции «Технологии информатизации профессиональной деятельности (в науке, образовании, промышленности)» с международным участием в рамках форума «Высокие технологии - 2004» (г. Ижевск, 23-26 ноября 2004), на XVII Международ.

научн. конф. «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-18» (г. Астрахань, 2005г.).

Публикации. Результаты работы отражены в 14 печатных работах.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 160 наименований, приложения и содержит 126 машинописных страниц основного текста, 44 рисунка, 12 таблиц.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Предложено использовать метод параметрических структурных схем для расчета микроэлектронных датчиков давления, что позволило разработать энерго-информационные модели и инжененрные методики расчета этих датчиков.

2. Теория ЭИМЦ и аппарат ПСС дополнены новым понятием — параметр величины, что позволяет описывать новые эффекты колебательных и волновых процессов любой физической природы.

3. Разработаны ПСС цепей преобразования механических величин упругих элементов микроэлектронных преобразователей в электрические, что позволяет объединять преобразования механической и электрической природы при моделировании преобразователя.

4. Разработаны энерго-информационные модели мембраны и диафрагмы, что позволило автоматизировать расчет их выходных характеристик и разработать модели микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления

5. Разработаны энерго-информационные модели микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления, что позволило автоматизировать расчет их выходных характеристик и сократить время на их проектирование в 2-3 раза.

6. Впервые предложена методика энерго-информационного моделирования на основе БАОТ-технологии. Использование 8АОТ-технологии повышает производительность построения ЭИМ и ее информативность, улучшает ее восприятия.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту. Показана потребность в автоматизации проектирования датчиков и один из способов решения этой задачи.

В первой главе выполнен анализ состояния, направлений исследования микроэлектронных преобразователей, методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик.

Выявлены современные направления в области разработки преобразователей:

1. системный подход к задачам анализа, синтеза и улучшения эксплуатационных характеристик преобразователей; •

2. разработка моделей датчиков на основе представления процесса измерения как преобразования информации и энергии.

Системный подход подразумевает с одной стороны представление всех систем преобразования информации и всех операций, связанных с преобразованием информации как единое целое, во взаимосвязи друг с другом, с другой стороны — комплексный подход к решению вопроса достижения требуемых эксплуатационных характеристик, включающий три аспекта, которые несколько отличается у разных научных школ. Пензенская школа определяет следующие аспекты:

■ научный (теоретические исследования, моделирование, анализ различных физических эффектов и проч.);

■ технологический (разработка и внедрение новых технологических процессов и операций);

■ материаловедческий (поиск и исследование новых материалов, в том числе и композитных).

Астраханская, Уфимская и Самарская школы предлагают конструктивный, технологический и материаловедческий аспекты.

Разработка моделей датчиков на основе представления процесса измерения как преобразования информации и энергии предполагает созданий:

■ информационно-энергетических моделей датчиков (Пензенская школа);

■ энерго-информационных моделей цепей (Астраханская, Уфимская и Самарская школы).

Информационно-энергетические модели датчиков (Пензенская школа) предназначены для оптимизации их основных характеристик.

Энерго-информационные модели цепей (Астраханская, Уфимская и Самарская школы) используются для поискового проектирования новых технических решений и их предварительного расчета.

В соответствии с двумя аспектами системного подхода был проведен анализ МЭДД по приемам достижения требуемых эксплуатационных характеристик и анализ методов моделирования и расчета микроэлектронных датчиков.

Проведенный ретроспективный анализ патентной и научно-технической литературы позволил классифицировать МЭДД по приемам, применяемым при их конструировании для улучшения различных эксплуатационных характеристик. Результаты анализа были сведены в таблицу и отражены в ней по следующим признакам: улучшаемая эксплуатационная характеристика (точность, чувствительность, стабильность, надежность,

функциональность, габариты, цена) и прием, с помощью которого это достигается (конструктивный, технологический, материаловедческий).

На основании произведенного анапича сделаны следующие выводы:

■ установлено, что в настоящее время больше внимания уделяется технологическим и материаловедческим приемам;

■ дополнен перечень эксплуатационных характеристик, предложенный проф. М.Ф. Зариповым новой характеристикой — функциональностью;

■ определены базовые типовые конструкции микроэлектронных датчиков давления (емкостные, тензорезисторные, резонаторные), с которых следует начинать исследование;

■ выявлены наиболее перспективные приемы, позволяющие одновременно достигнуть улучшения максимального количества требуемых эксплуатационных характеристик;

■ выявлены недостаточно исследованные направления достижения требуемых эксплуатационных характеристик (недостаточное использование технологических и материаловедческих приемов для повышения чувствительности и материаловедческих — для снижения цены).

Известные модели и методы разработки преобразователей классифицированы по этапам проектирования, на которых они применяются:

• поиск новых технических решений (теория ЭИМЦ и аппарат ПСС — Астраханская, Самарская, Уфимская школы);

• расчет отдельных элементов преобразователей;

• обработка экспериментальных данных (Пензенская школа);

• оптимизация основных характеристик (Пензенская школа).

Эта классификация позволила выявить достоинства и недостатки известных методов проектирования и определить перспективные пути снижения себестоимости проектирования:

• пополнение базы знаний по ФТЗ:

• автоматизация расчета преобразователей на ранних стадиях проектирования, что позволяет значительно снизить количество экспериментов.

Разработка ЭИМ преобразователей полностью отвечает этим направлениям.

Вторая глава посвящена разработке ПСС физико-технических эффектов преобразования механических величин в электрические в микроэлектронных датчиках.

Преимущества применения теории энергоинформационных моделей цепей (ЭИМЦ) заключаются в следующем: во-первых, она позволяет рассматривать явления различной физической природы с помощью уравнений, инвариантных к самой физической природе; во-вторых, дает возможность переложить мощный аппарат анализа и синтеза электрических цепей

на исследование явлений другой физической природы. Для описания различных по своей природе явлений используются элементы теории аналогий и подобия.

Эффекты преобразования механических величин в электрические используются как непосредственно в датчиках механических величин (усилия, крутящего момента, скорости и др.), так и в датчиках других величин (давления, расхода, температуры и т. п.), которые вначале преобразуются в механические а затем уже механические — в электрические.

Разработанные учеными школы проф. М.Ф. Зарипова формулы для определения величин - аналогов и параметров - аналогов для механических линейных, механических угловых и электрических цепей приведены в таблице 1.

Таблица 1

Природа цепи Обобщенные величины-аналоги Обобщенные параметры-аналоги

Воздействие Реакция Зарчц Им-пульс Сопротивление Емкость Индуктивность

Электрическая V,- [Я] ' А ш а [Ал] \U.dt [Бб] К - РУ - $ [Ом] «"7 ^ [Гн]

Механическая линейная иш-р [Я] 1м.-Г [м!с] ймл " * [м] рм->» г- [кГ м с] Я [Н-с/м] [м/Н] " т ["]

Механичес кая угловая и^-РЕ [Им] [рад! с] [рад] = [Я м с ] [Па с л3] с !— "О!, [рад/Н м) ы [кгмЦ

Список обозначений к таблице 2: имл, иму, иэ — величина воздействия в соответствующей цепи; 1Ш„1му> 1э — величина реакции в соответствующей цепи; (Зад, 0„у, (Зэ — величина заряда в соответствующей цепи; Р„л, Рму, Рэ — величина импульса в соответствующей цепи; Яму, — величина сопротивления в соответствующей цепи; С*,,, Сму, С_, — величина емкости в соответствующей цепи; Ьыу, Ьэ — величина индуктивности в соответствующей цепи; Р — сила; V — скорость; х — смещение; т — масса; г| — коэффициент внутреннего трения (динамическая вязкость); б — площадь поперечного сечения участка цепи; 1 — длина участка цепи; & — угол поворота; М — момент силы; I — момент инерции; I — момент инерции сечения; Я — радиус вращения; Е — модуль упругости Юнга, в — модуль сдвига, ф — электрический потенциал (фгфг - разность потенциалов, т.е. электрическое напряжение), в — площадь поперечного сечения участка це-

пи, V — объем участка цепи, рэ — удельное электрическое сопротивление, 8 — диэлектрическая проницаемость, р — плотность материала цепи.

Разработаны ПСС цепей преобразования механических величин в электрические: тензорезистивного, эффекта преобразования усилия в изменение резонансной частоты вибрации ЧЭ, эффекта преобразования положения в изменение электрического сигнала (рис. 1).

вир

[•И;

з) Тензорезистивный ФТЭ

Рис.1 ФТЭ преобразования механических величин в электрические

Особое внимание уделено эффекту преобразования усилия в изменение резонансной частоты вибрации

Частота колебаний струны является аргументом функции перемещения струны или, в терминах теории ЭИМЦ, синусоидального механического линейного заряда и не может быть представлена как параметр, ФТЭ или величина. Теория энерго-информационных моделей цепей не описывает таких преобразований. В связи с этим введено новое понятие — параметр величины (аргумент функции величины) и новые графические обозначения в ПСС. Параметры величины предложено обозначать в виде параллелограмма, а саму функцию — в виде скругленного прямоугольника. Таким образом, расширены возможности применения теории ЭИМЦ.

Обоснована и предложена методика энерго-информационного моделирования преобразователей на основе БАОТ-технологии.

Использование БАОТ-технологии при разработке моделей преобразователей дает ряд преимуществ:

■ последовательная декомпозиция диаграмм, строящаяся по иерархическому принципу, упрощает их чтение и восприятие;

■ наличие стрелок механизма и управления поясняет конструктивное воплощение принципа действия и закономерности, на которых он основан;

■ возможность использования САБЕ-средств в качестве инструментария для моделирования датчика снижает трудоемкость этого процесса.

Третья глава посвящена разработке ЭИМ микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления.

<3, г-1--1—ч —УУ. дш, I

и,

"мл(П-Пд)

си«-))

Охя

и, ;

с,1 АС, '.■■»),/7^7

о», - е(А, г.ф)

б) ФТЭ преобразования положения в изменение электрического сигнала

в) ФТЭ преобразования усилия в изменение резонансной частоты вибрации ЧЭ

Емкостный микроэлектронный датчик давления выполнен монолитно из кристалла полупроводника (рис. 2). Он состоит из двух пластин, являющихся электродами. Пластины

// " // " // " // " // " л

й.

П

1 г

взаимодействуют через пружины. Один электрод является

неподвижным, а второй прогибается под воздействием давления.

действия емкостного основан на воздействием

Рис. 2. Схема емкостного микроэлектронного датчика давления

Принцип

микроэлектронного датчика давления изменении под давления расстояния между электродами, что приводит к изменению электрической емкости датчика и соответственно электрического заряда, который затем преобразуют в выходное напряжение.

Задача моделирования микроэлектронного емкостного датчика давления решалась поэтапно. Вначале была разработана ЭИМ прогиба плоской мембраны, затем — электрической емкости, потом — выходного напряжения.

В емкостном датчике давления под воздействием давления одна из пластин (мембрана) прогибается, в результате чего неравномерно изменяется расстояние между пластинами <1 (рис. 3).

. Площадь - А

+ + Е 1 _: + > -1 + а «д

- - - "Яг

Мембрана

Рис. 3 Схема принципа действия емкостного датчика давления

где ёо — начальное расстояние между пластинами, у — прогиб мембраны в произвольной точки с) — текущее расстояние между двумя произвольными точками пластин.

Расстояние с) между пластинами из материала с анизотропными свойствами неодинаково как вдоль радиуса, так и по окружности. Чтобы учесть неравномерность прогиба двумя осевыми и цилиндрическими сечениями выделим элемент емкостного датчика давления — участок мембраны и неподвижной пластины (рис. 4).

Рис. 4 Элемент емкостного датчика давления

Произвольный выделенный элемент датчика был представлен как последовательное соединение двух конденсаторов: одного — с постоянной емкостью, определяемой начальным расстоянием между пластинами, второго — с переменной отрицательной емкостью, или, точнее, жесткостью, определяемой прогибом мембраны. Весь датчик рассматривался как цепь параллельно соединенных таких элементов. Такой формальный подход позволил разработать схему замещения фрагмента цепи микроэлектронного емкостного датчика давления (рис. 5).

и.

А

и

¡г

вых Я

1

О:

СЬ

\Л/2

С,

О

я

О 21

1: 1Г I

О

,4

Ог

: УУ3

Оп

I

П-1

п »

Рис. 5 Схема замещения микроэлектронного емкостного датчика давления

Однако, с помощью схемы замещения невозможно описать все преобразования в датчиках различной физической природы, так как она не отражает межцепные физико-технические эффекты. Поэтому на ее основе была разработана ПСС микроэлектронного датчика давления (рис. 6).

Uui)—

U

jKumUMyj

ийЗ

Ur«—»|Kumtjc«J уш| |Kwu>iv| Uwl

I?»«] i ъ

luu

[cS9, [w^,

Q„ Qs.i

CJ01 [w^f1 I C:

0« I Q:

Q»i

si^wfp-J"^]--- Usei,x

Рис. 6 ПСС емкостного датчика давления Для разработанной ПСС были выведены математические зависимости, определяющие параметры и величины ПСС через реальные физические величины.

Распределенные параметры механической цепи определяются по формулам (2) и (3), эффективные параметры — формулами (4) и (5).

Имъп-{ех ■Sin2a + E2 Cos2а) 12(1 -МпМц) 12(1 - 2 //2 т)(« -»)

Wm

** h Jn-{Elp2i'Sin2a + E2/Jn Cos1 а)

W. =

О,

Wp 1)

w.

С, =

О,

с w

w w

" <pn 1 tfH

с w

(pn " ¡p,

Механические величины цепи и ФТЭ:

=(£/„<,-o-tv-i Uv-cj-mck-wk)

1- г+1 k=i

J'l+l k=i

и

г(п)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

к,

к„

=

п

Я/

п

2

а

щ

рВ_ 2

' Ъг

&МЛ1 ' О-Ф П У

Прогиб мембраны определяется по формуле (14) Отклонение выходного напряжения

/

1

' у

ли„

и Л • Л 2т "

^ 11(2/+ 1)

144 109 -/!2

1

(9) (Ю)

(П)

(12)

(13)

(И)

(15)

{{¿о-У9Г ¿о

В частотных датчиках давления вибрационный частотный элемент, выполненный в форме миниатюрных силочувствительных балочных резонаторов, представляет собой колебательную струну,

монокристаллическую кремниевую нить, натяжение которой зависит от напряжений диафрагмы. Схема

вибрационного датчика давления приведена на рис. 7

Вначале была

разработана ЭИМ диафрагмы, а затем ЭИМ микроэлектронного резонаторного или частотного датчика давления, ПСС которого представлена на рис. 8 .

Рис. 7 Схема частотного микроэлектронного датчика давления

1 — упругая диафрагма,

2 — резонатор

1».(П) |К"г(п)"м»|

¡КЦццЦиу!

I и«,

—I Ч^п гц) и

тес

ч®---►

« и^п-по) 1

Оиучг

ОмуШ ч)

«МЯ Г(П

¡".(Л,

|Киг(я)"щ|| |Цм,

|*Имя1)ьу| и*

и,(п.лд>иг(пП|)

ОмуКп-лд)

(т- У(Чм|.))

Рис 8 ПСС микроэлектронного частотного датчика давления Для разработанной ПСС были выведены математические зависимости, определяющие параметры и величины ПСС через реальные физические величины.

Расчет механических параметров цепи ведется, в отличие от емкостных датчиков давления ни до центра диафрагмы, а до точки пересечения окружности отверстия диафрагмы с главной осью материала по формулам

(2X5),

Величины и ФТЭ цепи определяются по формулам (8)-(10), (16)-(18)

«-Ил

У-1

и =0 -1¥ц- I и ■ П (Ск-1Ук + 1)

у=1 + 1 49

п-пп

к = 1 *

•1

2

Радиальная и окружная деформации

= Ут_

иаг =■

=---Яму,

ЪОму, -к-п

£Т =

7=1

(16)

(17)

(18)

(19)

2Л

Напряжения определяются по формуле (21)

(Г. =

СГ, =

\-м2 Е

М

2 {е, +уиег)

Изменение частоты вибрации резонатора

1 +

12ЬИ 42 Ы

и,

»("-"о)

1

(22)

где I — момент инерции балки, определяется в зависимости плоскости колебаний по формулам (23) или (24)

ЪЪ3 (23)

от

1 =

1 =

12 ЪЪъ 12

(24)

Тензорезисторный датчик представляют собой мембрану, на поверхности которой расположены тензорезисторы. Принцип действия этих датчиков основан на эффекте изменения электрического сопротивления тсн-зорезистов при их деформации.

Для тензорезисторных датчиков были разработаны ПСС с учетом и без учета поперечной деформации. Поскольку тензорезисторы располагают в зоне наибольшей чувствительности — на периферии мембраны, поперечная деформация близка к нулю, то для упрощения расчетов ее можно не учитывать. ПСС микроэлектронного тензорезисторного датчика давления приведена на рис. 9

1".И>

п"г<п>»«

|к4м

¿".и

1К»Кп)"м»|

¡КН.,!!«,!

IV»

|КиКл)И»

1"г>

К»Хл>»««

КиыцЦчг

Кишицг

0«,

пи« и,| ,

Ой*! .

<»4,1 I

1 и,, 11«п 1

Го-ж

К0«0«,|Г I ¡«ИчхОм,! I К«>»0-|1Г

JQm.I1 I

к»<

[ ) Г,- 1ДН»!

I*

¡^ОцуОцщ ]

_|а,,„п

Рис 9 ПСС тензорезисторного датчика давления без учета поперечной деформации

Для разработанной ПСС были выведены математические зависимости, определяющие параметры и величины ПСС через реальные физические величины.

Связь между величинами, параметрами и ФТЭ ПСС определяются по формулам (2)-(5), (25)-(29).

е т-±о ■ <25)

^муы ^ -Щ]

в .=кп п -в ■ (26)

<27)

ё :=(о . о .) у»)

^мт ^млп ^млп>

и~.=~0~.-Ш (29)

млг кмт

Связь величин, параметров и ФТЭ ПСС с реальными физическими величинами определяются по формулам (8)-(13), (30)-(35).

_ А (30)

к =— (31)

в^г 2Л

= Ьп_ (32)

ОмуОмл1? 2Ш

Для материала с изотропными свойствами:

) = Кпр71={\ + 2М + т)-ашп (33)

Для материала с анизотропными свойствами:

+с2(Ро)-д^,2 (34)

Относительное изменение электрического сопротивления тензорезистора определяется по формуле (35)

М (35)

Кэ

В приведенных формулах используются следующие обозначения: Р — давление; Р — сосредоточенное в центре усилие; Я — радиус мембраны; Ьм — толщина мембраны; Еь Е2 —модули упругости Юнга соответственно по осям х и у эйлеровой системы координат (для изотропного материала Е|= Е2=Е); ЦП, Ц21 —коэффициенты Пуассона (первый соответствует оси х, второй - оси у); п — количество звеньев цепи мембраны, а — угол направления сечения к главной оси; <30 — начальное расстояние между пла-

17

стинами микроэлектронного емкостного датчика давления, у— прогиб мембраны в произвольной точке, b —толщина резонатора, Ь высота резанато-ра, 1 — диаметр отверстия диафрагмы, Кпр— коэффициент тензочувстви-

тельности для изотропного материала; £ч — истинное (логарифмическое)

значение деформации чувствительного элемента или уровень деформации; m — коэффициент эластопластичности тензорезистора из изотропного материала; ц — коэффициент Пуассона для изотропного магериала тензорезистора; Ci(po), С2(ро) — коэффициенты тензочувствительности для анизотропного материала; р0 — удельное сопротивление материала ненапряженного тензорезистора.

Четвертая глава посвящена разработке инженерных методик, алгоритмов и программного обеспечения для расчета микроэлектронного емкостного, частотного и тензорезисторного датчиков давления.

На основании анализа предметной области при проектировании про- J

граммного обеспечения для расчета датчиков давления были разработаны функциональная диаграмма, дерево узлов, диаграмма сущность-связь. Разработана система, которая позволяет выполнять расчеты выходных характеристик как самих микроэлектронных датчиков (емкостного, частотного, тензорезисторного), так и их основного конструктивного элемента — мембраны.

Разработанная система позволяет значительно снизить затраты труда проектировщиков на выполнение рутинных процессов и освободить их время для творческого труда

Пятая глава посвящена проверке адекватности разработанных мо- ?

делей.

Для проверки адекватности результатов исследования были разработаны тестовые примеры. '

Проверка адекватности ЭИМ емкостного датчика давления и методики расчета состоит из двух этапов:

1 Определение погрешности расчета прогиба плоской мембраны путем сличения результатов расчета прогиба методом ПСС без учета анизотропности материала с результатами, полученными аналитическим методом. Определить прогиб с учетом анизотропности материала аналитическим методом невозможно. 2. Сличение выходной характеристики емкостного микроэлектронного датчика давления, полученной методом ПСС с выходными характеристиками датчика Ы200 фирмы Motorola, опубликованными в Internet. Обработки результатов тестового примера позволила установить следующее:

1. Максимальная относительная погрешность расчета прогиба плоской мембраны без учета анизотропности материала методом ПСС (17%) у

периферии мембраны. Это объясняется малыми значениями прогиба на этом участке (малый знаменатель в формуле для определения относительной погрешности), абсолютная же погрешность в этой точке невелика. Для других точек максимальная относительная погрешность — 6%. Такая погрешность является приемлемой на ранних стадиях проектирования.

2. Максимальная относительная погрешность определения выходных характеристик емкостного датчика давления методом ПСС по сравнению с опубликованными выходными характеристиками датчика Ы200 фирмы Motorola составляет 16%, что является приемлемым на ранних стадиях проектирования

Проверка адекватности энерго-информационной модели, инженерной методики и алгоритма расчета вибрационного датчика давления основана на следующем: так как частота вибрации струны микроэлектроиного датчика определяется по известным математическим формулам и зависит от напряжения в точках ее крепления, то проверка адекватности инженерной методики и алгоритма расчета сводится к оценке погрешности определения напряжений на поверхности мембраны с использованием разработанной модели.

Максимальная относительная погрешность расчета напряжений в точках возможного крепления струны (0,1-5-0,3 радиуса мембраны от ее центра) по разработанной методике составляет 6-13%, что приемлемо на ранних стадиях проектирования.

Максимальная нелинейность расчетной выходной характеристики микроэлектронного дифференциального частотного датчика давления составляет 9%. Результат использования для расчета ЭИМ и основанной на ней инженерной методики расчета является приемлемым, что доказывает адекватность модели и метода.

Для демонстрации применения разработанной модели тензорези-сторного датчика рассмотрены три тестовых примера:

1. мембрана и тензорезистор выполнены из материалов с изотропными свойствами;

2. мембрана выполнена из материалов с изотропными свойствами, а тензорезистор — из материалов с анизотропными свойствами;

3. мембрана и тензорезистор выполнены из материалов с анизотропными свойствами.

Для этих примеров получены таблицы с результатами расчетов и диаграммы. В первом примере получилась линейная зависимость выходной характеристики от давления, а во втором и третьем — квадратичная, что соответствует известным зависимостям.

Определенные величины погрешностей разработанных моделей доказали их адекватность и показали возможность их применения на ранних стадиях проектирования.

Для подтверждения возможности применения методики энергоинформационного моделирования преобразователя на основе БАРТ-технологии была разработана функциональная модель и дерево узлов микроэлектронного емкостного датчика давления. В качестве САЗЕ-средства использован ВР\Ут 4.0.

В заключении отмечены основные научные результаты, приведены сведения об апробации работы.

В приложениях приведена таблица входной информации различных объектов расчета, функциональная и информационно-логическая модели, интерфейсы и выходные документы системы автоматизированного расчета микроэлектронных датчиков давления, функциональная модель микроэлектронного датчика давления, акты внедрения программной разработки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Выполнена классификация микроэлектронных датчиков давления по приемам, используемым при их конструировании, которая позволила выделить типовые базовые конструкции микроэлектронных датчиков давления, выявить наиболее перспективные приемы и недостаточно исследованные направления достижения требуемых эксплуатационный характеристик.

2 В теорию ЭИМЦ и аппарат ПСС введено новое понятие — параметр величины, что позволяет описывать новые ФТЭ колебательных и волновых процессов любой физической природы.

3. Разработаны ЭЙМ микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления, а также их элементов (мембраны, диафрагмы), которые являются основой для разработки инженерных методик, алгоритмов и программы для автоматизированного их расчета.

4. Разработаны инженерные методики, алгоритмы и программное обеспечение для расчета микроэлектронных датчиков давления, позволяющие снизить время на проектирование микроэлектронных датчиков для измерения давления до 1 мПа при постоянной температуре в 2-3 раза.

5. Выполнена проверка адекватности разработанных ЭИМ датчиков давления и методик их расчета, которая доказала возможность использования предложенных методик на ранних стадиях проектирования.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1 Шикульская О.М., Шикульский М.И. Математическая модель прогиба плоской мембраны. // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-17: Сб. трудов XVII Международ, научн. конф : В 10 т., Т.8 Секции 9, 10 / Под общ. ред. B.C. Балакирева. — Кострома- Изд-во Костромского гос. технол. ун-та, 2004. 243 е.;

2 Шикульская О.М., Шикульский М.И. Концептуальная модель деформации плоской мембраны как линии с распределенными параметрами / Информационные технологии в образовании, технике и медицине: Материалы международной конференции. В 3-х то мах/В олгГТУ. -Волгоград, 2004.-ЗЗЗс. т. 2 с. 308-313.

3. Шикульский МИ. Исследование прогиба плоской мембраны под давлением на основе теории энерго-информационных моделей цепей // Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2004). Материалы ТП Всероссийской научно-практической конференции (11-12 декабря 2004г) Ч 1 — Издательство Томского университета, 2004. -с/ 136-138.

4. Шикульская О.М., Шикульский М.И. Система автоматизированного расчета микроэлектронных датчиков давления // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005610506 от 24.02.2005 г.

5. Шикульская О.М., Шикульский М.И. Математическая модель расчета микроэлектронных емкостных датчиков давления.// Известия вузов. Сев.-Кавк. Регион Техн. Науки-2005 г. - Приложение № 1-е. 23-26

6. Шикульская О.М., Шикульский М.И. Разработка энергоинформационной модели цепи микроэлектронных тензорезисторных датчиков давления // Известия вузов. Сев.-Кавк. Регион Техн. Науки-2005 г. - Приложение № 1 - с. 27-30

7 Шикульская О.М., Шикульский М.И. Структурно-параметрическое моделирование микроэлектронных резонаторных датчиков давления // Известия вузов Сев.-Кавк. Регион Техн. Науки-2005 г. - Приложение № 1с. 30-33

8. О.М. Шикульская, М. И. Шикульский, Моделирование прогиба плоской мембраны методом параметрических структурных схем // Технологии информатизации профессиональной деятельности (в науке, образовании, промышленности): Сб. трудов науч.-техн. конференции с междунар. участием в рамках форума «Высокие технологии-2004» Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005.408 с.

9. Шикульская О.М., Шикульский М.И. Энерго-информационный метод моделирования емкостных датчиков давления // Математические методы

в технике и технологиях - ММТТ-18: Сб. трудов XVIII Международ, научн. конф.: В 10т. Т.8 Секции 4, 9 / Под общ. ред. B.C. Балакирева. — Казань: Изд-во Казанского гос. технол. ун-та, 2005. 220 е.;

10. Шикульская О.М., Шикульский М.И. Концептуальное моделирование принципа действия преобразователя на основе SADT-технологии // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн науки.-2005.-Приложение 2.-С. 52-54.

11. Шикульская О.М., Шикульский М.И. Система автоматизированного расчета микроэлектронных датчиков давления // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-2005.-Приложение З.-С. 3-5.

12. Шикульский М.И. "Структурно-параметрический метод исследования микроэлектронных емкостных датчиков давления" Электронный журнал "Исследовано в России", 173, стр. 1800-1804, 2005 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/173.pdf

13. Шикульский М.И. "Универсальная энерго-информационная модель цепи микроэлектронных тензорезисторных преобразователей давления" Электронный журнал "Исследовано в России", 174, стр. 1805-1809, 2005 г. http://zhurnal.ape.reIarn.ru/articles/2005/174.pdf

14. Шикульский М.И. "Математическое моделирование микроэлектронных частотных датчиков давления" Электронный журнал "Исследовано в России", 175, стр. 1810-1814, 2005 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/175.pdf

»

t

X

t* '

■2097?

РНБ Русский фонд

2006-4 17233

Типография Астраханского государственного технического университета 414025 Астрахань, ул. Татищева 16 Заказ № 668 Тираж 100 экземпляров Подписано в печать 7.11.05

Введение.

Глава 1. Анализ тенденций развития и методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных преобразователей.

1.1. Анализ тенденций развития микроэлектронных датчиков.

1.2. Анализ работ в области исследования датчиков.

1.2.1. Системный подход к задачам анализа, синтеза и улучшения эксплуатационных характеристик преобразователей.

1.2.2 Анализ методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков давления.

1.2.3 Анализ методов моделирования и расчета микроэлектронных датчиков.

Выводы по первой главе.

Глава 2. Параметрические структурные схемы физико-технических эффектов преобразования механических величин в электрические в микроэлектронных датчиках.

2.1 Энергоинформационные модели цепей (ЭИМЦ) различной физической природы.

2.2 Аппарат параметрических структурных схем (ПСС).

2.3 ПСС ФТЭ преобразования механических величин в электрические в микроэлектронных датчиках.

2.4 Методика энерго-информационного моделирования преобразователя на основе SADTтехнологии.

Выводы по второй главе.

Глава 3. Энерго-информационные модели микроэлектронных датчиков давления.

3.1 Упрощенные параметрические структурные схемы микроэлектронных датчиков давления.

3.2 Разработка энергоинформационной модели (ЭИМ) емкостного датчика давления.

3.3 Разработка энергоинформапионной модели (ЭИМ) частотного датчика давления (с вибрационным элементом).

3.4 Разработка энергоинформационной модели (ЭИМ) тензорезисторного датчика давления.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Разработка методик, алгоритмов и программного обеспечения для расчета выходных величин микроэлектронных датчиков давления на основании разработанных ЭИМ.

4.1. Методика и алгоритм расчета выходного напряжения микроэлектронного емкостного датчика давления.

4.1.1. Методика расчета выходного напряжения микроэлектронного емкостного датчика давления.

4.1.2. Алгоритм расчета выходного напряжения микроэлектронного емкостного датчика давления.

4.2 Методика и алгоритм расчета частоты вибрации резонатора микроэлектронного частотного датчика давления.

4.2.1. Методика расчета частоты вибрации резонатора микроэлектронного частотного датчика давления.

4.2.2. Алгоритм расчета частоты вибрации резонатора микроэлектронного частотного датчика давления.

4.3 Методика и алгоритм расчета выходных характеристик тензорезисторного датчика давления.

4.3.1. Методика расчета выходных характеристик тензорезисторного датчика давления

4.3.2. Алгоритм расчета выходных характеристик микроэлектронного тензорезисторного датчика давления.

4.4 Разработка системы автоматизированного расчета микроэлектронных датчиков давления.

Выводы по четвертой главе.

Глава 5. Проверка адекватности разработанных ЭИМ микроэлектронных датчиков давления

5.1. Проверка адекватности ЭИМ емкостного датчика давления и методики расчета.

5.2. Проверка адекватности ЭИМ частотного датчика давления.

5.3. Тестовые примеры расчета тензорезисторного датчика давления.

5.4 Функциональная модель микроэлектронного датчика давления.

Выводы по пятой главе.

Научно-технический прогресс немыслим в настоящее время без широкого внедрения и использования информационно-измерительных систем (ИИС), важной частью которых являются первичные измерительные преобразователи — датчики.

Потребность в первичных преобразователях — датчиках стремительно растет в связи с быстрым развитием автоматизированных систем контроля и управления, переходом к гибким автоматизированным производствам. Такие датчики, помимо высоких метрологических характеристик, должны обладать высокой надежностью, стабильностью, малыми габаритными размерами и массой. Этим требованиям в большой степени удовлетворяют микроэлектронные датчики.

Отечественная промышленность стоит перед объективной необходимостью внедрения новых прогрессивных технологий, которые требуют повышения точности измерений и регулирования параметров технологических процессов.

Серьезные исследования в этой области проводятся к.т.н П.Г. Михайловым (каф. «Приборостроение» Пензенского гос. Университета и НИИ физических измерений (НИИФИ г. Пенза), к.т.н В.А. Васильевым (Новосибирский университет), учеными школы д.т.н. М.Ф. Зарипова и д.т.н. И.Ю. Петровой.

Главные направления в исследованиях в области датчиковой аппаратуры — это системный подход к задачам анализа, синтеза и улучшения эксплуатационных характеристик преобразователей и разработка моделей датчиков на основе представления процесса измерения как преобразования информации и энергии.

П.Г. Михайловым на основе информационно-энергетического подхода предложены обобщенные математические модели различного типа датчиков, позволяющие оптимизировать их основные характеристики. Однако, для исследования возможностей оптимизации введенных им информационно-энергетических характеристик (ИЭХ), используются уже известные значения технических характеристик датчиков, полученные при теоретических и экспериментальных исследованиях. Сам процесс получения технических характеристик датчиков является исключительно трудоемким и дорогостоящим. Это связано с тем, что разработка микроэлектронных датчиков (МЭД) исключительно наукоемкая область, синтезирующая достижения механики, физики и химии твердых тел, жидкостей и газов, теплофизики, прикладной математики, теории упругости, электроники, теории измерений, метрологии и др. Поэтому при разработке датчиков инженер должен использовать максимально возможный объем знаний о физических эффектах и явлениях, накопленный в мире. В настоящее время известно около 5000 физико-технических эффектов. В связи с этим возникает потребность автоматизации поиска технических решений новых конструкций. Автоматизация проектирования чувствительных элементов (ЧЭ) возможна только при унификации представления информации о различных классах физических явлений. Такая унификация проводится в теории энергоинформационных моделей цепей (ЭИМЦ), представленной школой проф. Зарипова М.Ф. и проф. Петровой И.Ю. Вклад в развитие этой теории внесли Лаптев В.В., Ханова А.А., Ануфриев Д.П., Квятковская И.Ю., Щербинина О.В., Ветрова А.А. и др. С помощью этой теории описано около 250 физико-технических эффектов (ФТЭ) из 5000 известных.

Однако, в этой области недостаточно представлены ФТЭ в микроэлектронных датчиках. Вследствие особенностей полупроводниковых материалов возможно изготовление очень большого количества самых разнообразных видов полупроводниковых приборов. Теоретически возможно существование более 500 эффектов в микроэлектронных датчиках, которые описывают взаимные преобразование механических, тепловых, магнитных, электрических, оптических величин и их комбинации.

Шикульской О.М. были разработаны энерго-информационные модели механических цепей упругих элементов преобразователей с учетом распределения в них параметров. Эта работа требует логического продолжения — описания преобразования механических величин на выходе ЧЭ датчика в электрический сигнал.

Цель диссертационной работы: разработка энерго-информационных моделей микроэлектронных датчиков давления, создание на основе разработанных моделей инженерных методик и программного обеспечения для расчета микроэлектронных датчиков давления, предназначенного для повышения эффективности их проектирования.

Для достижения этой иели были поставлены и решены следующие задачи:

Проведение ретроспективного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков давления путем патентных исследований глубиной 10 лет.

Разработка ПСС цепей преобразования механических величин упругих элементов микроэлектронных преобразователей в электрические.

Разработка энергоинформационных моделей мембраны и диафрагмы.

Разработка энергоинформационных моделей микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления.

Разработка инженерной методики и программного обеспечения для расчета микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления.

Разработка методики энерго-информационного моделирования на основе SADT-техиологии.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Предложено использовать метод параметрических структурных схем для расчета микроэлектронных датчиков давления, что позволило разработать энерго-информациониые модели и инженерные методики расчета этих датчиков.

2. Теория ЭИМЦ и аппарат ПСС дополнены новым понятием — параметр величины, что позволяет описывать новые эффекты колебательных и волновых процессов любой физической природы.

3. Разработаны ПСС цепей преобразования механических величин упругих элементов микроэлектронных преобразователей в электрические, что позволяет объединять преобразования механической и электрической природы при моделировании преобразователя.

4. Разработаны энерго-информационные модели мембраны и диафрагмы, что позволило автоматизировать расчет их выходных характеристик и разработать модели микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления

5. Разработаны энерго-информационные модели микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления, что позволило автоматизировать расчет их выходных характеристик и сократить время на их проектирование в 2-3 раза.

6. Впервые предложена методика энерго-информационного моделирования на основе SADT-технологии. Использование SADT-технологии повышает производительность построения ЭИМ и ее информативность, улучшает ее восприятия.

Выводы по пятой главе

Разработанные ЭИМ, инженерные методики и алгоритмы микроэлектронных датчиков давления требуют проверки адекватности. Программное обеспечение, основанное на этих алгоритмах позволило это сделать. Проверка адекватности ЭИМ емкостного датчика давления и методики расчета состоит из двух этапов:

1. Определение погрешности расчета прогиба плоской мембраны путем сличения результатов расчета прогиба методом ПСС без учета анизотропности матерала с результатами, полученными аналитическим методом. Определить прогиб с учетом анизотропности материала аналитическим методом невозможно. •ф 2. Сличение выходной характеристики емкостного микроэлектронного датчика давления, полученной методом ПСС с выходными характеристиками датчика ld200 фирмы Motorola, опубликованными в Internet.

В результате обработки результатов тестового примера установлено:

Максимальная относительная погрешность расчета прогиба плоской мембраны без учета анизотропности матерала методом ПСС (17%) у периферии мембраны. Это объясняется малыми значениями прогиба на этом участке (малый знаменатель в формуле для определения относительной погрешности), абсолютная же погрешность в этой точке невелика. Для других точек максимальная относительная погрешность — 6%. Такая погрешность является приемлемой на ранних стадиях проектирования. Максимальная относительная погрешность определения выходных характеристик емкостного датчика давления методом ПСС по сравнению с опубликованными выходными характеристиками датчика ld200 фирмы Motorola составляет 16%, что является приемлемым на ранних стадиях проектирования

Так как частота вибрации струны микроэлектронного датчика определяется по известным математическим формулам и зависит от напряжения в точках ее крепления, то проверка адекватности инженерной методики и алгоритма расчета сводится к оценке погрешности определения напряжений на поверхности мембраны с использованием разработанной модели.

Максимальная относительная погрешность расчета напряжений в точках возможного крепления струны (0,1-^0,3 радиуса мембраны от ее центра) по разработанной методике составляет 6-13%, что приемлемо на ранних стадиях проектирования. Максимальная нелинейность расчетной выходной характеристики микроэлектронного дифференциального частотного датчика давления составляет 9%. Результат использования для расчета ЭИМ и основанной на ней инженерной методике расчета является приемлемым, что доказывает адекватность модели и метода.

Для расчета относительного изменения сопротивления тензорезисторов использованы известные формулы, устанавливающие его зависимость от деформации мембраны. Адекватность использования этих формул, а также использования энергоинформационной модели для определения деформации были доказаны [100], [131], [145].

Для демонстрации применения разработанной инженерной методики расчета выходных характеристик тензорезисторного датчика рассмотрены три тестовых примера:

1. мембрана и тензорезистор выполнены из материалов с изотропными свойствами;

2. мембрана выполнена из материалов с изотропными свойствами, а тензорезистор — из материалов с анизотропными свойствами;

3. мембрана и тензорезистор выполнены из материалов с анизотропными свойствами.

Для этих примеров получены таблицы с результатами расчетов и диаграммы. В первом примере получилась линейная зависимость выходной характеристики от давления, а во втором и третьем — квадратичная, что соответствует известным зависимостям Применена методика разработки концептуальной модели описания принципа действия преобразователя на основе SADT-технологии для проектирования микроэлектронных датчиков давления (МЭДД).

Заключение

1. Обобщая результаты анализа исследований в области разработки датчиковой аппаратуры, можно выделить следующие основные направления в этой области:

Системный подход к задачам анализа, синтеза и улучшения эксплуатационных характеристик преобразователей.

Разработка моделей датчиков на основе представления процесса измерения как преобразования информации и энергии.

Системный подход подразумевает с одной стороны представление всех систем преобразования информации и всех операций, связанных с преобразованием информации как единое целое, во взаимосвязи друг с другом, с другой стороны — комплексный подход к решению вопроса достижения требуемых эксплуатационных характеристик, включающий три аспекта, которые несколько отличается у разных научных школ. Пензенская школа определяет следующие аспекты: научный (теоретические исследования, моделирование, анализ различных физических эффектов и проч.); технологический (разработка и внедрение новых технологических процессов и операций); материаловедческий (поиск и исследование новых материалов, в том числе и композитных).

Школа профессора М.Ф. Зарипова вместо научного аспекта рассматривает конструктивные методы, в остальном — подход такой же.

Разработка моделей датчиков на основе представления процесса измерения как преобразования информации и энергии предполагает: синтез информационно-энергетических моделей датчиков, предназначенных для оптимизации их основных характеристик; разработку энерго-информационных моделей цепей, используемых для поискового проектирования новых технических решений и их расчета.

2. Выполнен анализ ФТЭ преобразования механических величин в электрические и построены их ПСС, которые являются основой для разработки ЭИМ микроэлектронных преобразователей.

3. Выполнен анализ физических процессов, происходящих в частотном датчике, который показал, что существующая теория ЭИМЦ и аппарат параметрических структурных схем не позволяют отобразить все процессы. В частности, изменяемая под воздействием усилия частота вибрации резонатора не может быть определена ни одним ключевым понятием этой теории, так как она не является ни параметром, ни ФТЭ, ни физической величиной. Частота вибрации является одним из параметров (аргументов функции) синусоидальной входной величины. Кроме того, имеет место нелинейность зависимости ее от другой величины. В связи с этим в теорию ЭИМЦ введено новое понятие — параметр величины для описания колебательных и волновых процессов любой физической природы. Кроме того, аппарат ПСС дополнен новыми графическими обозначениями: параллелепипед — для параметров величины, чтобы их отличать от параметров ЭИМЦ, и скругленный прямоугольник — для обозначения нелинейных зависимостей.

Предложена концептуальная модель описания принципа действия преобразователя на основе SADT-технологии, базирующаяся на представлении датчика как информационной системы. Использование SADT-технологии при разработке моделей преобразователей имеет ряд преимуществ: последовательная декомпозиция диаграмм, строящаяся по иерархическому принципу, упрощает их чтение и понимание; наличие стрелок механизма и управления поясняет конструктивное воплощение принципа действия и реальные закономерности, на которых он основан; возможность использования CASE-средств для энерго-информационного моделирования датчика снижает трудоемкость этого процесса.

Произведен анализ обобщенных ПСС различных датчиков давления (емкостного, частотного и тензорезисторного), который явился основой для дальнейшей детализации этих ПСС

Разработана ПСС прогиба плоской мембраны, выведены формулы для определения ее параметров и величин, учитывающие анизотропность свойств материала. Разработанная ЭИМ прогиба плоской мембраны легла в основу для разработки ЭИМ емкостного датчика давления.

Разработаны схема замещения и ПСС емкостного датчика давления. Выведены математические зависимости для определения параметров и величин этих ПСС. Разработанная ЭИМ емкостного датчика давления является основой для разработки инженерной методики, алгоритма и программы для расчета емкостного датчика давления Разработана ПСС напряжений плоской мембраны под давлением, выведены формулы для определения ее параметров и величин, учитывающие анизотропность свойств материала.

Разработанная ЭИМ напряжений плоской мембраны легла в основу для разработки ЭИМ диафрагмы.

9. Разработана ПСС диафрагмы (мембраны с отверстием в центре) под давлением, выведены формулы для определения ее параметров и величин, учитывающие анизотропность свойств материала. Разработанная ЭИМ диафрагмы легла в основу для разработки ЭИМ резонансного или частотного датчика давления.

10. Разработана ЭИМ частотного чдатчика давления, которая является основой для разработки инженерной методики, алгоритма и программы для расчета частотного датчика давления

11. Разработана универсальная ЭИМ тензорезисторного датчика давления, которая является основой для разработки инженерной методики, алгоритма и программы для расчета тензорезисторного датчика давления

12. С использованием энерго-информационной модели разработаны инженерная методика и алгоритм расчета микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчика давления, которые являются основой для автоматизации этого расчета.

13. Проверка адекватности ЭИМ емкостного датчика давления и методики расчета состоит из двух этапов:

1. Определение погрешности расчета прогиба плоской мембраны путем сличения результатов расчета прогиба методом ПСС без учета анизотропности матерала с результатами, полученными аналитическим методом. Определить прогиб с учетом анизотропности материала аналитическим методом невозможно.

2. Сличение выходной характеристики емкостного микроэлектронного датчика давления, полученной методом ПСС с выходными характеристиками датчика ld200 фирмы Motorola, опубликованными в Internet.

В результате обработки результатов тестового примера установлено:

Максимальная относительная погрешность расчета прогиба плоской мембраны без учета анизотропности матерала методом ПСС (17%) у периферии мембраны. Это объясняется малыми значениями прогиба на этом участке (малый знаменатель в формуле для определения относительной погрешности), абсолютная же погрешность в этой точке невелика. Для других точек максимальная относительная погрешность — 6%. Такая погрешность является приемлемой на ранних стадиях проектирования.

Максимальная относительная погрешность определения выходных характеристик емкостного датчика давления методом ПСС по сравнению с опубликованными выходными характеристиками датчика ld200 фирмы Motorola составляет 16%, что является приемлемым на ранних стадиях проектирования

14. 'Гак как частота вибрации струны микроэлектронного датчика определяется по известным математическим формулам и зависит от напряжения в точках ее крепления, то проверка адекватности инженерной методики и алгоритма расчета сводится к оценке погрешности определения напряжений па поверхности мембраны с использованием разработанной модели.

Максимальная относительная погрешность расчета напряжений в точках возможного крепления струны (0,1-г0,3 радиуса мембраны от ее центра) по разработанной методике составляет 6-13%, что приемлемо на ранних стадиях проектирования.

Максимальная нелинейность расчетной выходной характеристики микроэлектронного дифференциального частотного датчика давления составляет 9%. Результат использования для расчета ЭИМ и основанной на ней инженерной методике расчета является приемлемым, что доказывает адекватность модели и метода.

15. Для расчета относительного изменения сопротивления тензорезисторов использованы известные формулы, устанавливающие его зависимость от деформации мембраны. Адекватность использования этих формул, а также использования энергоинформационной модели для определения деформации были доказаны.

16. Для демонстрации применения разработанной инженерной методики расчета выходных характеристик тензорезисторного датчика рассмотрены три тестовых примера:

1. мембрана и тензорезистор выполнены из материалов с изотропными свойствами;

2. мембрана выполнена из материалов с изотропными свойствами, а тензорезистор — из материалов с анизотропными свойствами;

3. мембрана и тензорезистор выполнены из материалов с анизотропными свойствами.

Для этих примеров получены таблицы с результатами расчетов и диаграммы. В первом примере получилась линейная зависимость выходной характеристики от давления, а во втором и третьем — квадратичная, что соответствует известным зависимостям.

17. Разработана система автоматизированного расчета ' микроэлектронных датчиков давления, которая позволяет значительно снизить затраты труда проектировщиков на выполнение рутинных процессов и освободить их время для творческого труда.

Практическая значимость работы: 1. Выполнен анализ методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков давления, результаты которого позволили расширить перечень эксплуатационных характеристик преобразователей, выявить типовые базовые конструкции микроэлектронных датчиков давления, наиболее перспективные и недостаточно используемые приемы достижения требуемых эксплуатационных характеристик.

2. Разработана инженерная методика и алгоритм расчета микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления, что позволило автоматизировать расчет.

3. Разработано программное обеспечение для расчета микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления. Программная разработка автора внедрена в АстраханьНИПИгаз и на машиностроительном заводе «Прогресс». Внедрение ПО позволяет повысить качество научных изысканий и сократить время проведения научно-исследовательских работ в 2-3 раза.

4. Разработана концептуальная модель микроэлектронного емкостного датчика давления на основе SADT-технологии. Использование SADT-технологии повышает производительность построения ЭИМ и ее информативность, улучшает ее восприятия.

Апробация работы.

Отдельные материалы, входящие в диссертацию, обсуждались на XLVII Научной конференции профессорско-преподавательского состава г. Астрахань, 2003г., XLVIII Научной конференции профессорско-преподавательского состава г. Астрахань, 2004г., на XVII Международ, научн. Коиф. «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-17» (г. Кострома, 2004г.), на международной конференции (Волгоград, 2004 г.), на III Всероссийской научно-практической конференции (г. Анжеро-Суджинск), на научно-технической конференции «Технологии информатизации профессиональной деятельности (в науке, образовании, промышленности)» с международным участием в рамках форума «Высокие технологии - 2004» (г. Ижевск, 23-26 ноября 2004), на XVII Международ, научн. конф. «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-18» (г. Астрахань, 2005 ).

1. П.Г. Михайлов Микроэлектронный датчик давления и температуры // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2003, № 11

2. В.А. Васильев. Системные принципы построения преобразователей информации на основе твердотельных структур // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика.2003. № 4

3. П.Г. Михайлов. Синтез информационно-энергетических моделей датчиков. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2003 г. № 3

4. Стучебников В.М. Микроэлектронные датчики за рубежом Приборы и системы управления. 1993.N 1 -с18-20.

5. SensorReview. 1991.Vol 11 N3 Р.36-37

6. Electronics. 1989.Vol 62 N 1 P.104-106

7. Зарипов М.Ф., Зайнуллин Н.Р., Петрова И.Ю., Энерго-информационный метод научно-технического творчества / Учебно-метод. пособие / -М.:ВНИИПИ, 1988. -124 с.

8. Микитянский В.В. Микитянский' Л.М. Теоретические основы оптимизации параметров станочных приспособлений по точностным критериям. Прогрессивные технологии в машиностроении.Межвуз. сб. науч. трудов. Волгоград, Волг.ГТУ,1999 с. 36-45

9. Ю.Ракович А.Г. Основы автоматизации проектирования технологических приспособлений / Под ред. Е.А. Стародетко.- Минск: Наука и тухника,1985,-285 с.

10. Electronics. 1990.Vol 63 N 1 P. 86-87

11. Перспективы развития рынка систем автоматизации технологических процессов/ Датчики и Системы №3, 1999, с.53-56

12. Meclelland S. Making out in Europe. Sensor Review 1990. vol.10. N 1 p. 28-29.

13. Einzadz von Silizium sensoren inprozeBmeBgeraten Zar Druckrnessung-Stand and Tendenzen. Werthschutzky r.Tehn. Mess. 1992 - 59 N9 - c. 340-346.

14. Schrocht H.J.,Meissder M.,Wauro E. Federn in mikromechanichen structuren.»Drant», 1994.44 N 4, 207-212,224-228

15. Silcon sensor market// Sensor Review. 1990. Vol.10. №2. P. 55.

16. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник, под ред. Коптева Ю.Н./ М.:Изд. предп. Редакции журн. «Радиотехника» 1988. том 1, кн. 2, 508 с.

17. James E.Hall. Silicon sensor upgrade pressure meashurements // InTech —1991. -38 № 7 c. 32-33

18. Егизаров Э. JI. О термоупругом изгибе квадратной мембраны // Приборы и системы управления, 1997, № 4. с.43-44

19. Прозоров М.А„ нач отд.МО «Прибор» Новые кварцевые преобразователи давления и температуры. // Приборы и системы управления, 1996, № 6. с. 27-28

20. Esashl Massayoshi, Matsumoto Yoshlnorl, Sojl Shulchi. Absolute pressure sensor by air-tight electrical feedthrough structure // Transuders'89, vol.2. Lausame,1990. - c.ф 1048-1052

21. Карцев E.A. Датчики неэлектрических величин на основе унифицированного микромеханического резонатора. Приборы и системы управления.1996 N4 с. 32-35.

22. Станкевич В.Ч., Шимкявичюс Ч.И. Перспективные датчики абсолютного ^ давления. ISSN 0032-8154.// Приборы и системы управления. //1996. № 6 с. 25-28

23. Зиновьев В.А., Шошин А.А., Акимов В.Б. Емкостный датчик избыточного давления. ISSN 0032-8154. // Приборы и системы управления. 1992. № 5 с. 27

24. Драгунов В.П. Полупроводниковый датчик для измерения быстроизмениющегося давления газа. ISSN 0032-8154.//Приборы и системы управления. 1993. № 5 с. 23

25. В.Н. Зимин, В.И. Лурье, В.В. Панков, А.Ю. Петров, Метрологическое обеспечение преобразователей давления . Sensors & Systems № 4.1999. с. 32-35

26. Жибарева И. Н. Определение геометрических параметров мембранных упругих чувствительных элементов с малой нелинейностью характеристики. ISSN 00328154. Приборы и системы управления. 1993. № 11 с. 36-40

27. Годнев А.Г. Волоконно-оптический датчик давления. ISSN 0032-8154. Приборы и системы управления. 1993. № 5 с. 25-26

28. Белоглазов А.В., Евдокимов В.И., Суханов В.И., Котляревская Е.В., Кошевой О.П. Малогабаритные датчики абсолютного давления. ISSN 0032-8154. Приборы и системы управления. 1995. № 9 с. 8-10

29. Federn in mikromechanichanischen Strukturen. Schrocht H.-J., Meissner M., Wauro E. "DRANT", 1994, №44, № 4, 207-212, 224-228. Пружины в микромеханических структурах, с. 5-11

30. Карцев Е.А. Датчики неэлектрических величин на основе унифицированного микромеханического резонатора, с. 32-35

31. Semiconductor vibrational frequencyresponse sensor for pressure measurement: Pap. 30 Annu. Meet. Eur. High Pressure Res. group. / Balzar R., Krasnogenov E., Abbasov S. //Физ. и техн. высок, давлений .- 1993.- 3 №2,- с. 25-27.- Англ.

32. Indirectly excited resonant element sensor: Заявка 2235773 Великобритания, МКИ5 G 01 H 9/00 / Parsons Philip, Willson Joison Peter, Metcalf Eric; Schlumberger Ind. Ltd.-№ 90170820; Заявл. 3.8.90; Опубл. 13.3.91; НКИ GIG

33. Resonant gauge with microbeam driven in constant electric field: Пат. 5275055 США, МКИ5 G 01 В 7/16 / Zook James D., Burns David W.; Honeywell Inc.- № 937068; Заявл. 31.8.92; Опубл. 4.1.94; НКИ 73/778

34. Semiconductor pressure sensor: Пат. 5142912 США, МКИ5 G 01 L 9/06 / Frische Richard H.; Honeywell Inc.- № 538956; Заявл. 15.6.90; Опубл. 1.9.92; НКИ 73/702

35. Diaphragm mounting system for a pressure transducer: Пат. 5264820 США, МКИ5 H 01 С 10/10 / Kovacich John A., Hoinsky Christopher C., Van Vessm Peter D., Rado Ricardo A.; Eaton Corp.- № 860860; Заявл. 31.3.92; Опубл. 23.11.9.; НКИ 338/42

36. Преобразователи давления резонаторного типа. / Saigusa Tokuji, Yamagata Michiaki // Keisoku to migyo.= J. Soc. Instrum. And Contr. Eng.- 1992.- 31, № 6.- C. 689-691.-iln.

37. Einsatz von Siliziumsensoren in Prozebmebgeraten zur Druckmessung- Stand und Tendenzen / Werthschutzky R. // Techn. Mess.- 1992.- 59, №9.- C. 340-346.- Нем.

38. Micro-capteur de pression: Заявка 2664979 Франция, МКИ5 G 01 L 13/02 / Thomas Isabelle, Lefort Pierre Olivier; Sextant Avionique S.A.- № 9009468; Заявл. 20.7.90; Опубл. 24.1.92

39. Resonant mechanical sensor: Пат. 5165289 США, МКИ5 G 01 L 1/10 / Tilmans Hendricus A.C.; Johnson Service Co.- № 551523; Заявл. 10.7.90; Опубл. 24.11.92.; НКИ 73/862.59

40. A balanced resonant pressurre sensor / Stemme Eric, Stemme Goran // Transducers' 89.: Proc. 5th Int. Conf. Solid-State Sensors and Actuators and Eurosensors III, Montreux, June 25-30, 1989. Vol. 2.- Lausanne, 1990.- C. 336-341.- Англ.

41. Fabrication of microdiaphragm pressure sensor utilizing micromachining / Fujii Tetsuo, Gotoh Yoshitaka, Kuroyanagi Susumu // Sens, and Actuators. A. 1992.- 34, № 3.- C. 217-224.- Англ.

42. Pressure transducers: Пат. 5317923 США, МКИ5 G 01 L 7/08 / Erichsen Herman W., Panagotopulos Louis J., Levine Mark, Holmes William Т.; General Automotive Specialty, Co., Inc.- № 972118; Заявл. 5.11.92; Опубл. 7.6.94.; НКИ 73/727

43. Differenzdrucksensor: Заявка 4227893 ФРГ, МКИ5 G 01 L 13/02 / Mast Martin, Blumenstock Andreas, Hirschberger Klaus; Robert Bosch GmbH.-№ 42278937; Заявл. 22.8.92; Опубл. 22.4.93

44. Pressure- sensitive integrated silicon optical guided-wave structures Vadecar A., Nathan A., Huang W. P. // Microelectron. J. 1992. - 23, № 6. - C. 471-477.- Англ.

45. Optically excited silicon sensor for permanently installed dovvnhole pressure monitoring applications: Pap. Eurosensors 5, Rome, Sept. 30 Oct. 2, 1991. Pt 3 / Kvisteroy Terje,

46. Ф Gusland Ole Henrik, Stark Birger, Nakstad Hilde, Erikstrud Morten, Bjornstad Bjorn //

47. Sens, and Actuators. A. 1992 .- 31, № 1-3.- C. 164-167. - Англ.

48. Pressure sensing advances: are they in your process' future? / Johnson Dick // Contr. Eng. 1995. - 42, № 5. - C. 67,69,71,73.- Англ.

49. Drucksensor: Заявка 4133061 ФРГ, МКИ5 G 01 С 9/00 /Marek Jiri, Weiblen Kurt; Robert Bosch GmbPI.-№ 41330617; Заявл. 4.10.91; Опубл. 15.4.93

50. Drucksensor und Kraftsensor: Заявка 4125398 ФРГ, МКИ5 G 01 L 9/02 / Offerins Henderikus L., Folkmer Bernd, Sandmaier Hermann; Fraunhofer-Ges. Zur Forderung der angevvandten Forschung eV. -№41253981; Заявл. 31.7.91; Опубл. 4.2.93

51. Winzigers Druckmesselement // Autotechnik. 1995. - 44, № 9. - C. 38.- Нем.

52. Silicon planar epitaxial pressure sensors / Nan S., Hangani A., Valasi Jeane E., Vasilache M., Munteane I. // Rev. Roum. sci. techn. Ser. Electrotechn. et energ. 1992. -37, № 2.-C. 211-214.-Англ.

53. Semiconductor pressure sensor: Пат. 5163329 США, МКИ5 G 01 L 7/08 / Shimaoka Keiichi, Tabata Osamu, Sugiyama Susumu; К. K. Toyota Chuo Kenkyusho. № 635953; Заявл. 28.12.90; Опубл. 17.11.92.; НКИ 73/721

54. Тихоненков В.А., Клопов А.Д. № 4667638/10; Заявл. 5.1.89; Опубл. 7.5.91, Бюл. № 17

55. Low-pressure sensors // Electron. Compon. News. 1995. - 39, № 4. - С. 123.- Англ.

56. Capasitive pressure sensor with third encircling plate: Пат. 4951174 США, МКИ5 H 01 G 7/00 / Grantham Daniel H., Latina Mario S.; United Technologies Corp. № 292276; Заявл. 30.12.88; Опубл. 21.8.90.; НКИ 361/283

57. Sllizium-Chip zur Verwendung in einen Kraftsensor: Заявка 4137624 ФРГ, МКИ5 G 01 L 1/18 / Herden Werner, Marek Jiri, Weiblen Kurt, Bantien Frank, Kuesell Matthias, Schmidt Steffen; Robert Bosch GmbH -№41376242; Заявл. 15.11.91; Опубл. 19.5.93

58. Nara Koichi, Okaji Masahiro, Kato Hiddeyuki // Teion kogaku. = Cryog. Eng. 1993. -28, № 12.- C. 21-27. - Яп.; рез. англ.

59. Silicon pressure sensor with integrated bid\as stabilization and temperature compensation / Crazzolara H., Munch W., von, Nagele M. // Sens, and Actuators. A. -1992. 30, № 3. - C. 241-247. - Англ.

60. Заявка 317526 Япония, МКИ5 G 01 L 19/14 / Вакаяма Киеси, Идзэки Нарито, Фукуда Мицухира; К. к. Дэруфай. № 1-151343; Заявл. 14.6.89; Опубл. 25.1.91 // Кокай токке кохо. Сер. 6 (1). - 1991. -10. - С. 179-182. - Яп.

61. Wu Jianmin, Tang Zhen'an, Niu Defang // Dalian ligong daxue xuebao. = J. Dalian Univ. Technol. 1995. - 35, № 4.- C. 540-543. - Кит.; рез. англ.

62. Messen von Druck und Differenzdruck // Chem. Ing. Techn. - 1993. - 65, № 12. - C. 1428.-Нем.

63. A comparison between micromachined pressure sensors using, quartz or silicon vibrating beams / Dufour M., Delaye M. Т., Michel F., Danel J. S., Diem В., Delapierre G. // Sens, and Actuators. A. 1992. - 34, № 3. - C. 201-209. - Англ.

64. Bai Shao-hong // Zidonghua yibiao. Process Autom. Instrum. 1993. - 14, № 2.- С. 16. - Кит.; рез. англ.

65. Чикин И.И., Караджи В.Г., Голубкова Л.В. Малогабаритный датчик быстропеременного давления ПД-6-1 / Тр. Центр, ин-та авиац. моторостр. 1992. -№ 1292.-С. 125-131.- Рус.

66. Емкостный преобразователь давления. // Методы и средства электр. измерений. / ВНИИ электроизмерит. приборов. СПб, 1992. - С. 112.- Рус.

67. Игнатьев И.В., Кипрская JI.B., Миносян Л.Г. Исследование малогабаритных полупроводниковых датчиков давления. / // Тр. Центр, ин-та авиац. моторостр. -1992. № 1292. - С. 111-122.- Рус.

68. Кикнадзе Г.И., Могильницкий А.А., Плещ А.Г., Шенкевич А.Л.Тензометрический датчик давления,//Приборы и техн. эксперим. 1991.- № 5. - С. 175-176.- 178

69. Петрова И. Ю., Шикульская О.М. Классификация упругих элементов микроисполнении, используемых в приборостроении // тезисы доклада XLI НТК проф.-преп.состава, Астрахань 1997 с. 23

70. Дружинский И. А. Механические цепи. Л.: Машиностроение, 1977, с. 25-66, 228-231

71. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании): / Под ред. А.И. Половинкин. М.: Радио и связь, 1988.

72. Петрова И. Ю., Шикульская О.М. Анализ механических систем на основе электромеханических аналогий.// Тез. докл. III Межвузовская н/м конф. "Компьютеризация учебного процесса по электротехническим дисциплинам, Астрахань, 1995

73. Петрова И.Ю., Зарипов М.Ф., Никонов А.И. Физические основы энергоинформационных моделей и параметрических структурных схем/ Препринт доклада/ Уфа:, БФ АН СССР, 1984. 25 с.

74. Петрова И.Ю. Энерго-информационный метод анализа и синтеза чувствительных элементов систем управления. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, Самара, 1996. с. 109-120

75. М. Ф. Зарипов и др. Энерго-информационный метод научно-технического творчества,-М.: ВНИИПИ ГКНТ СССР, 1988г. -124 с.

76. Петрова И.Ю., Зарипов М.Ф., Никонов А.И. Физические основы энергоинформационных моделей и параметрических структурных схем./ Препринт доклада / Уфа: Изд. БН АН СССР, 1984. 25 с.

77. Зарипов М.Ф, Петрова И.Ю., Параметрические структурные методы проектирования первичных измерительных преобразователей. //VI Всесоюз. научн-технич. конферен. ИИС-83. Куйбышев: 1983 г.

78. Андреева. JI. Е. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение. 1981.

79. Нашельский А .Я. Технология полупроводниковых материалов. М: "Металлургия", 1987

80. Федосеев В.И. Сопротивление материалов. /Издание девятое, переработанное. М:, "Наука" гл. ред. физико-математической литературы, 1986

81. Микитянский В.В., Микитянекая JI.M. Проецирование и исследование схем механизмов. /Учебное пособие для вузов/ Ч. 1, Астрахань: АГТУ, 1996, 175 с.

82. Федосеев В.И. К расчету хлопающей мембраны. / Прикладная математика и механика, 1946, т. X, вып. 2, с. 295-301

83. Федосеев В.И. Упругие элементы точного приборостроения. М,: Оборонгиз,1949, 344 с.

84. Корнишин М.С. Нелинейные задачи теории пластин и пологих оболочек и методы их решения. М.: Наука, 1964, 192 с.

85. Липовцев Разностный метод решения задач устойчивости оболочек. /Теория пластин и оболочек, М.: Наука, 1971, с.155-172

86. Федосеев В.И. Об одном способе решения нелинейных задач устойчивости деформируемых систем / Прикладная математика и механика, 1946, т. XXVIII, вып. 2, с. 265-275

87. Тимошенко С.П., Войновский -Кригер. Пластинки и оболочки. Пер с англ./ Под ред. Г.С. Шапиро. М.: Физматгиз, 1963, 576 с.

88. С. Г. Гинзбург, Методы решения задач по переходным процессам в электрических цепях, М.,1967

89. JI. А. Бессонов, Теоретические основы электротехники. Электрические цепи, М.:ВШ., 1978

90. Зарипов М.Ф., Никонов А.И., Петрова И.Ю. Элементы теории информационных моделей преобразователей с распределенными параметрами. Уфа: Изд. БН АН СССР, 1983. 155 с.

91. Петрова И.Ю. Общие принципы анализа микроэлементов систем управления с распределенными параметрами различной физической природы. // «Теория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами». М: Наука, 1978 г.

92. Петрова И.Ю., Зарипов М.Ф., Анализ и синтез преобразователей с распределенными параметрами различной физической природы. //IIIмеждународный симпозиум «Теория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами». Уфа: 1976 г.

93. Петрова И.Ю., Вопросы анализа функциональных микроэлементов с распределенными параметрами различной физической природы. // III международный симпозиум «Теория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами». Уфа: 1976 г.

94. Зарипов М.Ф. Преобразователи с распределенными параметрами для автоматики и информационно-измерительной техники. М.: Энергия, 1969, 356 с.

95. Хинчин А.Я. Цепные дроби. М: Наука 1978 г. 111с.

96. Петрова И. Ю., Шикульская О.М. Расчет мембран методом ПСС// XLII НТК проф.-преп.состава, Астрахань 1998: тезисы доклада

97. Зарипов М.Ф., Шикульская О.М. Описание модели плоской мембраны как линии с распределенными параметрами.// Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования, под ред. Савиных В.П. и Вишневского В.В. // М.: 1999 г. с. 78-79

98. Петрова И.Ю., Шикульская О.М., Универсальная структурно-параметрическая модель плоской мембраны //Датчики и системы 2000. .№ 2 с.14-16

99. Петрова И. Ю., Шикульская О.М. Анализ погрешности расчета упругих элементов микроэлектронных преобразователей методом ПСС // III Международная НТК / Новые информационные технологии в современной инфраструктуре: Сборник. Астрахань, 1997.

100. Шикульская О.М. Сравнение результатов расчетов преобразователей различными методами // XL н/т конф. проф.-преп. состава Астрахань 1996: тезисы доклада

101. Справочник по электротехническим материалам, том 3, под редакцией Ю.В.Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М.Тареева/ Ленинград: Энергоатомиздат Ленинградское отделение, 1988 с. 405-44

102. Шикульская О.М., Ильичев С.А. Многоконтактное реле давления // Патент № 2151328 от 20.06.2000г.

103. Сотсков Б.С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. М.: «Высшая школа», 1970.-270 с.

104. Дружинский И.А. Механические цепи/ Л: «Машиностроение» Ленингр. отд-ние, 1977.-23 8 с.

105. Технология полупроводниковых, Нашельский А.Я.; учебное пособие для повышения квалификации ИТР.М.: Металлургия, 1987.336с.

106. Удалов Н.П. Полупроводниковые датчики.М.-Л., издательство «Энергия», 240 с.

107. Клокова Н.П. Тензорезисторы: Теория, методика расчета, разработки.- М.: Машиностроение, 1990.-224с.

108. УДК 681.386.773 Малов В.В. Пьезорезонансные датчики.- 2-е изд. перераб. и доп. М. Энергоатомиздат, 1989- 272с.

109. Упругие элементы малых сечений для приборовж/ Петрова Т.Г., Жермунская Л.Б., Семенова В.Ф. и др. -Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985 -128 с.

110. Р. Фейман, Р. Лейтов, М. Сендс Феймановские лекции по физике. Т.5 Электричество и магнетизм. Перевод с английского, М.: Мир, 1977, 304 с.

111. Микитянский В.В., Сарбанов С.Т. Пути автоматизации проектирования технологических процессов и оснастки в машиностроении (Учебник) / Фрунзе: изд-во Кыргызстан, 1984.- с.

112. Микитянский В.В., Ильинский В.Б., Сердюк Л. Станочные приспособления. Конструкторско-технологическое обеспечение эксплуатационных свойств./ Бишнек: изд-во КГТУ, 1993 .-125с.

113. Микитянский В.В. Микитянская Л.М. Проектирование и исследование схем механизмов (Учебное пособие в 2-х томах) / Астрахань: изд-во АГТУ, 1997. -350 с.

114. Т.Е. Харламова. Полупроводниковые и специальные материалы. Учебное пособие по курсу «Полупроводниковые и специальные материалы» изд. Северозападного заочного политехнического института, 1977 г. с. 10-67

115. Шикульская О.М. Распределенные энергоииформационные модели упругих элементов микроэлектронных преобразователей механических величин. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, г. Астрахань, 2000 г. 130 с.

116. Карцев Е. А. Состояние и тенденции развития резонаторных датчиков с частотно-модулированным выходным сигналом// Измерительная техника. 1993. №9.

117. Карцев Е. А., Короткой В. П. Унифицированные струнные измерительные преобразователи. М.: Машиностроение, 1982

118. Новицкий П. В., Кнорринг В. Г., Гутников В. С. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л: Энергия, 1970

119. Бабаков И. М. Теория колебаний. М.: Наука, 1968

120. Морз Ф. Колебания и звук. М.: Гостехиздат, 1959

121. Л.С. Ильинская, А. Н. Подмарьков. Полупроводниковые тензодатчики. // Библиотека по автоматике. Выпуск 189, М.-Л.: изд-во «Энергия», 1966 г. 149 С

122. Шикульская О.М., Шикульский М.И. Система автоматизированного расчета микроэлектронных датчиков давления // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005610506 от 24.02.2005г

123. Шикульская О.М., Шикульский М.И. Математическая модель расчета микроэлектронных емкостных датчиков давления.// Известия вузов. Сев.-Кавк. Регион Техн. Науки-2005 г. Приложение № 1- с. 23-26

124. Шикульская О.М., Шикульский М.И. Разработка энерго-информационной модели цепи микроэлектронных тензорезисторных датчиков давления .// Известия вузов. Сев.-Кавк. Регион Техн. Науки-2005 г. Приложение № 1с. 27-30

125. Шикульская О.М., Шикульский М.И. Структурно-параметрическое моделирование микроэлектронных резонаторных датчиков давления // Известия вузов. Сев.-Кавк. Регион Техн. Науки-2005 г. Приложение № 1-е. 30-33

126. Упругие элементы датчиков механических величин: Учеб. пособие/ А.И. Тихонов, И.Н. Гонтарь, А.И. Воячек, Н.И. Волчихин; Под ред. Е.П. Осадчего. -Пенза: Пенз.политех.ин-т, 1988.-88с.

127. Волков В.А., Рыжаков В.В. Математические модели чувствительных элементов систем управления: Учеб. пособие/ А.И. Тихонов, И.Н. Гонтарь, А.И. Воячек, Н.И. Волчихин; под ред. Е.П. Осадчего. Пенза: Пенз.политех.ин-т, 1990. -100с.

128. Шикульская О.М., Шикульский М.И. Концептуальное моделирование принципа действия преобразователя на основе SADT-технологии // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-2005.-Г1риложение 2.-С. 52-54.

129. Шикульская О.М., Шикульский М.И, Система автоматизированного расчета микроэлектронных датчиков давления // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-2005.-Приложение З.-С. 3-5.

130. Шикульский М.И. "Структурно-параметрический метод исследования микроэлектронных емкостных датчиков давления" Электронный журнал "Исследовано в России", 173, стр. 1800-1804, 2005 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/173.pdf

131. Шикульский М.И. "Универсальная энерго-информационная модель цепи микроэлектронных тензорезисторных преобразователей давления" Электронный журнал "Исследовано в России", 174, стр. 1805-1809, 2005 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/174.pdf

132. Шикульский М.И. "Математическое моделирование микроэлектронных частотных датчиков давления" Электронный журнал "Исследовано в России", 175, стр. 1810-1814, 2005 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/175.pdf