автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка мембранных тензопреобразователей давления

На правах рукошиси

Козлов Александр Ипатьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕМБРАННЫХ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ДАВЛЕНИЯ

Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 ДЕК 2014

Ульяновск-2014

005556871

005556871

Работа выполнена на кафедре Измерительно вычислительные комплексы Ульяновского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент,

Киселев Сергей Константинович

Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

Стучебников Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: Мокров Евгений Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, Пензенский государственный университет, кафедра «Приборостроение», профессор

Винокуров Лев Николаевич,

кандидат технических наук, ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения», начальник тематической комплексной бригады ТКБ-222

Ведущая организация: Улышовскии филиал Института

радиотехники и электроннкн РАН, г. Ульяновск

Защита состоится « 28 » января 2015 г. в J_5 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.277.01 при Ульяновском государственном техническом университете по адресу: 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32 (ауд. 211, Главный корпус).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета. Также диссертация и автореферат размещены в Internet на сайте УлГТУ - http://www.ulstu.ru/

Автореферат разослан « 28 » ноября 2014 г.

Ученый секретарь ____

диссертационного совета, доктор технических наук, профес!

Смирнов Виталий Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационного исследования. Давление - один из важнейших параметров, контролируемых в технологических процессах практически всех отраслей экономики: на предприятиях нефтедобывающего и перерабатывающего комплекса, в современной энергетике, в том числе атомной, в металлургии, пищевой промышленности, машиностроении, жилищно-коммунальном хозяйстве и других отраслях, а также в научных исследованиях, например, геофизических.

Согласно данным научно-технической литературы, в большей части применяемых датчиков давления используются тензорезисторные преобразователи (ТП) давления. Практически во всех ТП используются мембранные упругие элементы (УЭ) чашечного типа, воспринимающие давление, на которых закреплены тензорезисторы (TP), изменяющие свое сопротивление под действием деформации мембраны. В таких приборах УЭ может изготавливаться из металла, керамики или из монокристалличсского кремния, а тензорезисторы могут быть выполнены по тонкопленочной технологии, сформированы в объемном кремнии или выполнены по технологии «кремний на сапфире» (КНС).

Важнейшей задачей при разработке ТП давления является определение такого места расположения TP на поверхности мембраны и такой формы TP, при которых изменение их сопротивления AR/R (точнее разности изменений сопротивлений TP в смежных плечах моста) максимально. Путем оптимизации топологии тензочувствительной схемы ТП можно минимизировать нелинейность и вариацию выходного сигнала ТП и увеличить его выходной сигнал и перегрузочную способность.

Изучение научно-технической литературы, патентной документации, защищенных диссертаций, а также материалов конференций показало, что, несмотря на многолетнюю практику разработок и многомиллионное производство ТП, вопросы оптимального расположения тензорезисторов на поверхности мембран изучены недостаточно. Систематических исследований реального распределения деформаций на поверхности мембранного упругого элемента чашечного типа как экспериментальных, так и расчетных, до начала 2000-х годов не проводилось. Отсутствие решений указанных вопросов на сегодняшний день не позволяет разработчикам датчиковой аппаратуры оперативно разрабатывать новые типы приборов и модернизировать имеющиеся под конкретные запросы рынка, а также снизить временные и материальные затраты на разработку приборов. Выбранная тема исследований восполняет пробел в данной области знаний, что и определяет ее актуальность.

Степень разработанности темы исследования. Разработке мембранных тензопреобразователей давления посвящены многочисленные труды отечественных и зарубежных ученых.

Вопросам проектирования упругих элементов ТП давления уделялось большое внимание в трудах Л.Е. Андреевой, В.И. Белоглазова, Е.М. Белозубова, В.И. Ваганова, В.А. Васильева, В.А. Гридчина, В.В. Грищенко, В.И. Евдокимова, Ю.А. Зеленцова, Г.И. Лурье, В.М. Любимского, Е.А. Мокрова, Е.П. Осадчего, В.М. Стучебиикова, В.И. Суханова, А.И. Тихонова, В.А. Тихоненкова, A.B. Шапорина, А.Г. Шатдиной и других. Большой вклад в проектирование тензопреобразователей давления также внесли иностранные ученые: Allan R., Asch G., Bretschi J., Brindley К, Henning W., Lee K.W., Mitsuoka Y., Nishihara M., Terston R., Wise K.D., Yamada К. и другие.

Однако в трудах указанных ученых вопрос оптимизации расположения тензорезисторов на поверхности мембран решался частично, либо не рассматривался совсем, так как всегда считалось, что распределение деформаций в мембранных упругих элементах чашечного типа достаточно точно описывается аналитическими выражениями из теории пластин и оболочек, проработанными, например, С.П. Тимошенко и С. Войновски-Кригером. В последнее время в научной литературе появляются статьи, в которых авторы предлагают различные численные модели ТП, заменяющие аналитические, при которых получаются более приближенные расчетные и экспериментальные результаты. Среди них можно отметить коллективные работы Yan-Hong Zhang, Chen Yang, Zhao-Hua Zhang, Hui-Wang Lin, Li-Tian Liu, Tian-Ling Ren; M.A. Барулиной, В.Э. Джашитова, В.М. Панкратова; К.А. Андреева, Ю.Н. Тихонова, В.А. Шахнова. При этом эти работы охватывают только какие-либо частные случаи, и по большей части, представляют результаты теоретических расчетов, не подтвержденных экспериментальными данными.

В рамках выбранной темы были сформулированы цель и задачи исследования.

Цель диссертационного исследования - Разработка мембранных ТП давления с улучшенными метрологическими характеристиками (сниженными нелинейностью, вариацией и температурным дрейфом, повышенной чувствительностью) на основе теоретико-экспериментального исследования особенностей распределения деформаций па поверхности мембранного упругого элемента и изменения сопротивления тензорезисторов под действием давления и температуры.

Достижение поставленной цели обеспечивалось решением следующих задач:

1. Изучение различных теоретических моделей упругих элементов ТП давления, применяемых в описании функционирования ТП давления с мембранами чашечного типа.

2. Выявление отличий результатов расчетов характеристик упругих элементов реальных ТП с распределенными параметрами методом конечных элементов от результатов расчета моделей тонких пластин и оболочек, жестко закрепленных по периферии и нагруженных давлением, или сосредоточенной силой.

3. Проведение экспериментального исследования распределения изменения сопротивления и ТКС ТР на поверхности ПЧЭ для различных конструктивов упругих элементов ТП на основе структур КНС.

4. Получение профилей деформаций механического происхождения на поверхности ПЧЭ для различных конструктивов упругих элементов ТП.

5. Проверка адекватности численной математической модели путем сравнения результатов расчета профилей деформаций в УЭ с полученными экспериментальными данными.

6. Разработка на основе полученных данных оптимизированных ТП на основе КНС, исследование их метрологических свойств. Методология и методы исследования. Поставленные в работе задачи

решены с использованием теории упругости, теории планирования эксперимента, теории погрешностей и статистического анализа, методов математического моделирования, методов регрессионного анализа, а также других методов научного познания, таких как: измерение, сравнение, анализ и синтез и др. Достоверность разработанных научных положений и выводов подтверждена результатами опытных испытаний образцов общепромышленных датчиков давления МИДА.

Научная новизна диссертационной работы заключается в:

1. Впервые экспериментально исследованы распределения изменения сопротивления тензорезисторов под действием давления и температурных коэффициентов сопротивления тензорезисторов по поверхности УЭ чашечного типа для одно- и двухмембранных ТП.

2. Показано, что деформированное состояние УЭ чашечного типа не описывается аналитическими выражениями, справедливыми для тонких круглых мембран, жестко защемленных по контуру.

3. Предложено конструктивное решение оптимизации ТП, позволяющее значительно повысить их метрологические характеристики.

4. Разработаны новые типы унифицированных ПЧЭ, обеспечивающих уменьшение температурной погрешности нулевого сигнала ТП и снижающих себестоимость изготовления ТП.

Практическая значимость работы заключается:

1. В экспериментальном подтверждении того, что широко используемое аналитическое описание распределения деформаций на поверхности мембранного ТП давления не дает достоверных результатов, так как деформации распространяются далеко в основание УЭ за границу мембраны, особенно при больших значениях отношения толщины мембраны к ее диаметру.

2. В оптимизации конструкций УЭ тензопреобразователей, позволившей снизить нелинейность (в 1,2-1,6 раза) и вариацию (в 3-7 раз) выходного сигнала серийных ТП давления МИДА.

3. В разработке ПЧЭ на основе структур КНС №МД-010, использование которого позволило снизить температурный дрейф нулевого сигнала серийных ТП давления МИДА (в 2,5-3 раза).

4. В разработке ПЧЭ на основе структур КНС №МД-012, имеющего в 3,3 раза меньшую площадь по отношению к ранее использованным ПЧЭ, использование которого позволило:

- вдвое уменьшить нижний предел измеряемых давлений датчиков давления МИДА (до 1,6-2,5 кПа);

- заменить двухмембранный конструктив ТП давления на более простой в технологическом плане одномембранный для 4 диапазонов измеряемого давления;

- снизить себестоимость датчиков давления МИДА примерно на 4-6%; Реализация результатов работы. Полученные научные и практические

результаты были использованы в ЗАО «Микроэлектронные датчики и устройства» (ЗЛО МИДАУС) г. Ульяновск при разработке ТП и датчиков давления МИДА. Разработанный полупроводниковый чувствительный элемент с оптимизированной топологией №МД-010 внедрен в серийное производство тензопреобразователей и датчиков давления в ЗАО МИДАУС с 2010 года.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, научные и практические результаты исследований были представлены и получили положительную оценку на международной научно-технической конференции «Датчики и Системы -2005» (г. Пенза, 2005 г.), на пятой Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (г. Ульяновск, 2006 г.), на X ежегодной Международной научно-технической конференции

«Энергорссурсосбережение. Диагностика - 2008» (г. Димитровград, 2008 г.), на XIII Международном научно-техническом семинаре «Механометрика» (Московская область, пос. Поведиики, 2010 г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В упругих элементах чашечного типа при нагружении давлением или силой деформации распространяются за пределы контура мембраны на основание УЭ и на жесткий центр, и чем толще мембрана, тем дальше они распространяются.

2. Для получения адекватных результатов численного моделирования при расчете профилей упругих деформаций недостаточно учитывать только сам УЭ, а необходимо учитывать конструкцию ТП в целом.

3. В двухслойных мембранах с ПЧЭ на основе КНС на распределение термических напряжений, возникающих после пайки ПЧЭ и определяющих температурные свойства ТП в целом, большой вклад вносит краевой эффект.

4. Размещение тензорезисторов на определенном расстоянии от края ПЧЭ позволяет оптимизировать температурные характеристики ТП.

5. Полученные экспериментальные результаты вместе с разработанной математической моделью позволили создать унифицированный ПЧЭ, обеспечивающий максимальную чувствительность и оптимальные метрологические характеристики для одно- и двухмембранных ТП на диапазоны измеряемых давлений от 10 кПа до 200 МПа.

6. Хотя экспериментальные исследования проводились на ТП давления на основе КИС, по полученные результаты в полной мере применимы для любых других ТП с мембранными УЭ чашечного типа. Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня российских рецензируемых научных журналов по списку ВАК, 1 статья в межвузовском сборнике научных трудов, 5 материалов конференций и тезисов докладов.

Личный вклад автора заключается в выполнении теоретических и всех экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, включая разработку теоретических моделей, методик экспериментальных исследований, макетных образцов тензопреобразователей и оснастки для испытаний, выбор необходимого оборудования и проведение исследований, анализ и оформление результатов в виде публикаций и научных докладов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, в которые вынесены химические составы рассматриваемых в работе сплавов, вывод расчетных формул для компонентов тензора деформации, а также акты внедрения результатов диссертационной работы. Основной текст диссертации состоит из 113 машинописных страниц, 58 рисунков и 8 таблиц. Список литературы включает 64 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы и задачи научного исследования, определены направления ее решения, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ чувствительности ТП давления мембранного типа на основе структур КНС. Показано, что в наиболее распространенном исполнении тензорезистивной мостовой схемы ПЧЭ в смежных плечах находятся радиальные и тангенциальные ТР, ориентированные по кристаллографическим направлениям <110> кремния и расположенные вблизи края мембраны. Для такой тензосхемы с одинаковыми начальными значениями сопротивлений радиальных /?г и тангенциальных ТР

(7?Г|Р=0 = |Р_0 —Я - мост сбалансирован при отсутствии давления Р) изменение выходного сигнала ивих под действием давления при питании моста постоянным напряжением 1/пит равно:

дивък = ипитШ( - АЯгЖ2« + Айь + №т) « У„„т№ - ¿Кг)/2К , (1)

где и Лйг - изменения сопротивлений соответствующих тензорезисторов под действием давления. Из (1) видно, что при фиксированном напряжении питания для получения максимального изменения выходного сигнала ТП необходимо, чтобы разность чувствительностей ТР, находящихся в смежных

плечах мостовой схемы, была максимальной. В работе также рассмотрена связь относительного изменения сопротивления полупроводниковых TP с вызывающей это изменение деформацией. Из рассмотрения следует, что изменения сопротивления взаимно перпендикулярных TP, расположенных в местах с одинаковым распределением деформаций, имеют противоположные знаки, а разность величин изменений сопротивлений радиальных и тангенциальных TP по абсолютной величине составляет:

~ m44|£t - ег| = пг44Ае . (2)

Из выражений (1) и (2) видно, что для получения максимальной чувствительности ТП необходимо, чтобы тензорезисторы мостовой схемы находились в зоне максимальной разности радиальной и тангенциальной деформаций, вызванных измеряемым давлением. Такое расположение тензорезисторов обеспечивает также минимальное значение нелинейности и вариации выходного сигнала ТП.

Анализ научно-технической литературы показал, что для расчета распределения деформаций в УЭ, а соответственно и зоны оптимального расположения TP на ПЧЭ, на практике используют аналитические и численные методы. Аналитический метод расчета распределения деформаций в УЭ чашечного типа основан на классических уравнениях для круглой (или квадратной) мембраны, жестко защемленной по контуру и нагруженной либо давлением, либо сосредоточенной в центре силой. Численный метод расчета распределения деформаций в УЭ основан на сведении задачи теории упругости к одному или нескольким дифференциальным уравнениям в частных производных и последующем их решении численными методами. Принимая во внимание то, что ТП мембранного типа с точки зрения моделирования является сложной геометрической фигурой, для решения задачи по определению профилей деформаций в круглых мембранах реальных ТП целесообразно использовать метод конечных элементов (МКЭ).

На рис. 1 представлены результаты численного и аналитического расчета распределения радиальной и тангенциальной составляющих тензора деформаций, возникающих при нагружении УЭ. Из рис. 1 видно, что численная модель с использованием метода конечных элементов дает результаты по распределению деформаций на поверхности УЭ ТП давления принципиально отличающиеся от полученных аналитическим путем. Представленные графики показывают, что чем больше диапазон измеряемых давлений (соответственно больше толщина мембраны УЭ), тем больше это расхождение. Для устранения данной неопределенности и проверки адекватности рассмотренных теоретических моделей в диссертационной работе было проведено экспериментальное исследование распределения деформаций на поверхности УЭ ТП давления чашечного типа.

Рис. 1. Расчетные распределения деформаций па поверхности УЭ для тестового ТП с конструктивными параметрами: а) к/гд=0.054 и б) й//"о=0.638 пунктирпые линии - данные расчета по аналитической модели сплошные линии - данные расчета по численной модели

Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования распределения изменения сопротивления ТР и распределения деформаций по поверхности ПЧЭ для ТП давления с круглыми мембранами.

Исследование производилось с помощью специально разработанной тензометрической методики экспериментального определения распределения радиальных и тангенциальных составляющих деформаций на поверхности круглых мембранных УЭ. Суть методики заключается в следующем: на мембрану исследуемого УЭ напаивался полупроводниковый чувствительный элемент на основе КНС со специальной топологией, рис. 2, состоящей из последовательно соединенных малобазных радиальных и тангенциальных ТР, расположенных по диаметру мембраны.

Рис. 2. Полупроводниковый чувствительный элемент на основе структур КНС с размером 10x10 мм со специальной тестовой топологией 9

Экспериментально определялось сопротивления ТР тестовой структуры а также их изменение под действием давления при различных температурах. При этом общая погрешность косвенного измерения сопротивления тензорезисторов не превышала 0,1%.

В работе были исследованы одномембранные ТП с мембранным упругим элементом чашечного типа, конструктивные параметры мембраны которого изменялись в следующих пределах: толщина мембраны И= 0,3^3,5 мм; радиус мембраны г0= 2,0~КЗ,9 мм. На рис. 3 представлены типичные зависимости относительного изменения сопротивления радиальных и тангенциальных ТР от расстояния до центра мембраны г под действием подаваемого давления.

Из представленных на рис. 3 графиков видно, что в реальных ТП условие жесткого защемления, т.е. когда деформации сразу за границей мембраны (соответственно и изменение сопротивления ТР) обращаются в ноль, пе выполняется.

0 .5 .5 г. 5 5 .5 5

а)Ь =0,3 мм П)= =3,5 ММ, Ри**=5 МПа.

л \ А л Д 2 д

д. [г ✓ д д

л д д л

ы

> ■ ■■ /

о о,В 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Ф=2,0 мм; г0=3,5 мм; Риш=100 МПа.

д 2

л л д д — Д

эац дА 1 I

■ ,,1 ■

I"'

/

° 0.5 1 1.5 2 2,5 3 3.5 4 4,5 5 1\ яш

б) /¡=1,1 мм; г0=3,9 мм; Ризм=25 МПа.

2

/ £ . д \ д л д Д д д д д

д л д *

чг

ч Н

■

/

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4,5 5

г)И=2,3 мм; г„=2,0 мм; Р,п„=160 МПа.

Рис. 3. Экспериментальные (точки) и рассчитанные по аналитической модели (линии) распределения относительного изменения сопротивления радиальных (1) и тангенциальных (2) ТР по радиусу мембраны ТП с разными конструктивными параметрами (стрелкой указано расстояние г0) 10

Видно также, что экстремум чувствительности ТР смещен относительно края мембраны. В наиболее распространенном исполнении тензорсзистивной мостовой схемы в смежных плечах находятся радиальные и тангенциальные ТР, расположенные у края мембраны. Из (1) следует, что для ТП с такой тензосхемой наиболее информативным параметром с точки зрения проектирования ТП с максимальной чувствительностью является полуразность относительных изменений сопротивлений радиальных и тангенциальных ТР:

5 = {ЛЯг/К - 4ДГ/Д)/2 . (3)

Физический смысл величины Я - это относительная чувствительность ТП. На рис. 4 приведены результаты экспериментального определения распределения величины ё по поверхности ПЧЭ с различным отношением толщины /г упругой мембраны к ее радиусу г0 для одномембранных ТП. Как видно из рисунка, экстремум величины <5 практически всегда смещен относительно края мембраны. Он находится вблизи края мембраны только при средних ее толщинах (Н/г0~0,5). При малых толщинах (/г/г0 < 0,25) максимум смещается внутрь мембраны, а при больших толщинах мембраны (0,75< Н/г0 < 1,2) - за ее границу и расплывается. Наконец, при достаточной толщине мембраны {к/г0 > 1,2) максимум исчезает. Известна [Черницын В.Н., 1989] эмпирическая формула для величины смещения Д г экстремума относительной чувствительности 3 за границу мембраны г0 :

Дг = , (4)

где к — постоянная величина, равная 1,6 мм.

г/г.

Рис. 4. Распределение относительной чувствительности ТП по радиусу УЭ при разных значениях отношения толщины мембраны к ее радиусу 11

Результаты проведенных исследований показывают, что смещение Д г экстремума относительной чувствительности 3 за границу мембраны не описывается этой формулой, в которой учитывается только толщина мембраны. Сравнение результатов экспериментальных измерений смещения Дг максимума величины 6 при различных толщинах и радиусах мембраны ТП с графиком, полученным по формуле (4) показывает, рис. 5, что смещение экстремума д зависит не только от толщины мембраны, но и от ее радиуса.

а, мм

Рис. 5. Смещение положения максимума относительной чувствительности ТП от края упругой мембраны в зависимости от толщины мембраны при различных радиусах мембраны: О - данные Черницына В.Н.; пунктирная кривая построена по формуле (4); сплошные кривые - числениое моделирование по МКЭ (предоставлены Пироговым A.B.)

Полученные экспериментальные данные позволили провести проверку на адекватность теоретические модели, используемые при проектировании ТП давления с мембранными УЭ чашечного типа. Для этого экспериментальные зависимости относительного изменения сопротивления радиальных и тангенциальных TP по формулам (5)-(6) пересчитывались в распределение радиальных £,- и тангенциальных et составляющих тензора деформаций.

ДRr/Rr + ДRt/Rt ДRr/Rr - &Rt/Rc

er =--1--

2771ц + 2mlz(l - 2vfc) 4тп44

- ARr/Rr + &Rt/Rt _ kRr/Rr - ARt/Rt t 2771ц + 2тп12(1 - 2 Vfc) 4ш44

(5)

(6)

где vk - коэффициент Пуассона КреМНИЯ, 771ц, 771^2, 77744 — коэффициенты эластосопротивления.

На рис. 6 на примере одномембранного ТП представлены результаты сравнения расчетных значений радиальных ет и тангенциальных £( составляющих деформаций с аналогичными экспериментальными данными. Как видно из графиков, уже начиная с нижних пределов измерения зависимости, рассчитываемые по аналитическим выражениям для деформаций в мембране, жестко закрепленной по контуру и нагруженной давлением, имеют сильное рассогласование с экспериментальными данными. Из графиков видно, что максимальные расхождения наблюдаются на краю мембраны г0 и на основании чашки УЭ, причем, чем больше толщина мембраны Л, тем больше расхождение.

1 ... - ! | i

I tg

v\h. 4 N

ГТ1 Г*

\\°о су

У

.... \ rad

Iii!

0,2 0,4 0,6 0,8

г/г.

1,2 1.4 ;

ч)к=0,3 мм; г0= 3,5 мм; Pm„=S Ml la 12

i -

Ч

ч . i Чч_ ----

\

i

\

1

" 1

>

_1

0,2 0,4 0,6 0,8 r/r.

=2,0 мм; r0=3,5 мм; Р,ш,=100 МПа

г)й=3,5 мм; г0=3,5 мм; Ршм=1<)0 МПа

Рис. 6. Распределение радиальных £,. (raíl) и тангенциальных £t (tg) составляющих деформаций по радиусу мембраны ТП с разными параметрами. Сплошная линия - численное моделирование (предоставлены Пироговым A.B.); Пунктирная линия - расчет по аналитическим выражениям для деформаций в мембране, жестко закрепленной по контуру и нагруженной давлением; Светлые и темные точки - результат экспериментального измерения

Это указывает на то, что в реальных ТП условие жесткого закрепления мембраны по контуру не действует. В отличие от классической аналитической модели расчетные распределения деформаций, полученные с помощью численной модели ТП, разработанной в ЗАО МИДАУС, достаточно хорошо согласуются с распределениями деформаций, полученными экспериментальным путем в диссертационной работе.

В третьей главе рассмотрены температурные характеристики мембранных ТП давления с ПЧЭ на основе КНС, представлены результаты измерения температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) ТР.

В ТП на основе КНС упругий элемент выполнен в виде чашечной мембраны из титанового сплава, на которую высокотемпературным припоем напаян ПЧЭ из структуры КНС. Поскольку соединение сапфирового элемента с титановым сплавом осуществляется при высокой температуре, то после охлаждения из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения сапфира (ал(2о3~6-Ю"6 °С') и титанового сплава (aTi~9-\(Y4 °С"') в такой мембране возникают значительные термические деформации, которые вызывают изменение температурных зависимостей сопротивлений ТР и, следовательно, появление аддитивной составляющей температурной погрешности ТП. В работе проведено исследование температурных зависимостей радиальных и тангенциальных ТР па поверхности сапфирового ПЧЭ, напаянного на УЭ чашечного типа из титанового сплава. Показано, что в температурном интервале -40..+180 "С температурные зависимости сопротивлений ТР R(T) хорошо аппроксимируются зависимостью:

R = R0ea"T , (7)

где aR- температурный коэффициент сопротивления ТР; R0~ сопротивление ТР при нулевой температуре (Т=0 °С). Подбор коэффициентов aR и R0 производился методом наименьших квадратов (МНК).

Типичные результаты измерения ТКС aR ТР, определяемых из формулы (7) для одномембранных ТП с различными радиусами и толщинами мембран и одинаковой толщиной сапфира приведены на рис. 7. Как видно из рисунка, на всех образцах на краю ПЧЭ наблюдаются сильные расхождения ТКС радиальных aRr и тангенциальных aR( ТР. Это свидетельствует о наличии на краю ПЧЭ, напаянного на титановую мембрану, анизотропных деформаций. Если в мостовой тснзосхеме, состоящей из радиальных и тангенциальных ТР, сопротивления смежных ТР по-разному изменяются с температурой, то, как следует из формулы (1), температурная зависимость начального выходного сигнала ТП (при давлении, равном нулю) с учетом (7) определяется разностью ТКС радиальных aRj. и тангенциальных аИ[ ТР:

dU0(T) (dRt dRr \ .

~W~ = U"m \R¡dT ~ МГ) = ~ ■ (8)

а)И=0,6 мм; г0=3,9 мм;

й> /¡=2,3 мм; го=2,0 мм;

Рис. 7. Распределение ТКС радиальных (7) и тангенциальных (2) ТР па поверхности УЭ одномембранных ТП с разными конструктивными параметрами (стрелкой указан радиус мембраны го)

Для одномембранных ТП на рис. 8 приведены экспериментальные зависимости разности ТКС радиальных и тангенциальных ТР Аая = (аД( — аКг) от расстояния до центра упругого элемента ТГ1 на свободном ПЧЭ и после пайки на мембрану ТП. Как видно из приведенных зависимостей, при изменении толщины упругой мембраны к в достаточно широких пределах зависимость АаК(г) практически пе изменяется и только при достаточно больших значениях толщины мембраны разность ТКС начинает слабо увеличиваться.

г, мм

Рис. 8. Зависимость разности ТКС радиальных и тангенциальных ТР от расстояния до центра ПЧЭ при разных значениях отношения 1\/г0 на свободном ПЧЭ (О) и после пайки на УЭ

Это согласуется и с опытом производства ТП и датчиков давления МИДА: температурные дрейфы начального выходного сигнала ТП практически не зависят от диапазона измерения в ин тервале значений диапазонов измерения одномембранных ТП от 0,6 до 25 МПа, хотя отношение толщины упругой мембраны к ее радиусу изменяется при этом на порядок (от 0,03 до 0,3).

Также были получены распределения ТКС радиальных аНт и тангенциальных аКс ТР на поверхности двухмембранных УЭ ТП давления. Из представленного рис. 9 видно, что распределение ТКС на двухмембранных УЭ по сравнению с одномембрапными имеет некоторые особенности, расхождения ТКС радиальных аКт и тангенциальных а^ТР наблюдаются не только на краю мембраны, но и на жестком центре.

0,00156 -т-1-1-------

И/г,,=0,038

0,00154-— " ----------- --------О

«

0.00152 -------------------------

0,00150 ----------- ------О-О Я-

0.00148- ъ-й-с ° ^ О 0.00146 - ° —

0,00144 ■ ----------------

0,00142 ---!--------------

0,00140 - - ------- — -------"

гай

0,00138 ------------ - — ---------

0,00136 I.............. ..................................

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 г, мм

Рис. 9. Типичное распределение ТКС радиальных и тангенциальных ТР на поверхности УЭ двухмембранных ТП

Четвертая глава посвящена вопросам оптимизации характеристик ТП. давления на основе КНС, приводятся новые технические решения и рекомендации, позволяющие значительно улучшить метрологические характеристики ТП основе КНС, что подтверждается данными сравнительных испытаний.

С помощью экспериментальной методики, приведенной в главе 2, было исследовано распределение относительного изменения сопротивления ТР па стандартных одномембранных и двухмембранных ТП, выпускаемых ПГ МИДА. Оказалось, что для получения требуемого выходного сигнала ТП сильно перегружались. Полученные во второй главе экспериментальные результаты вместе с апробированной численной математической моделью, разработанной в ЗАО МИДАУС, позволили изменить конструкции УЭ ТП

16

I 1 [ /</<•„=0,038

«

- с о

о о о о О

О с ••• с г °

••• •••

гай «

таким образом, чтобы ТР унифицированного ГТЧЭ всегда размещались в зоне максимальной разницы радиальной и тангенциальной составляющих деформаций, вызванных измеряемым давлением. Сравнительные испытания серийных и оптимизированных ТП показали (таблица 1), что у оптимизированных ТП при сохранении величины чувствительности нелинейность преобразования уменьшилась в 1,5-2 раза. Вариация выходного сигнала ТП на 40 МПа в среднем снизилась в 3 раза, на 60 МПа, и на 100 МПа -в б раз, на 160 МПа - в 7 раз.

Согласно экспериментальным данным по распределению ТКС по поверхности мембраны УЭ ТП, приведенным в главе 3, максимальная разность ТКС радиальных и тангенциальных ТР наблюдается па краю ПЧЭ и уменьшается при движении к центру. Такая тенденция справедлива практически для всех исследованных ТП, причем для одномембранных TII вид распределения разности ТКС не зависит от конструктивных параметров ТП. С учетом (8) в работе был разработан унифицированный ПЧЭ с новой топологией, обеспечивающий максимальную чувствительность и уменьшенный температурный дрейф нулевого сигнала для одно- и двухмембранных ТП на диапазоны измеряемых давлений от 10 кПа до 200 МПа.

Таблица 1. Метрологические характеристики ТП с серийными и оптимизированными мембранами._

Р™, МПа Тип мембран № ТП чувствительность, MB/5B нелинейность, % вариация, % гистерезис, % теми, дрейф пуля, мВ/120°С

40 серийные 11340М026562 56.773 0,049 0,053 0,011 13,968

П340М033596 54,218 0,044 0,063 0,002 12,038

] 1340M036885 50,724 0,057 0,073 0,010 13,546

модифиц. 1 1340М042100 63,075 0,036 0,018 0,004 9,145

11340М036909 65,940 0,040 0,017 0,000 12,457

11340М042058 65,678 0,036 0,019 о.ооз 1 1,827

60 ссрийныс 11360М036895 74,337 0,071 0,046 0,003 13,106

11360М040220 75,378 0,080 0,069 0,017 12,154

11360М036969 81,456 0,043 0.045 0,006 18,370

модифиц. 11340М036914 65,686 0,032 0,009 0,003 12,341

1 1340М042104 68,422 0,033 0,008 0,000 13,052

11340М042076 69,429 0,039 0,004 0,000 13,593

100 серийные 113100095050 48,839 0,090 0,069 0,038 14,363

113100095051 49,798 . 0,060 0,103 0,070. 12,978

113100040595 51,582 0,053. 0,044 0.006 15,622

модифиц. 113100040596 80,785 0,061 0,012 0,007 13,523

113100040623 77,942 0,068 0,010 0,004 12,942

113100040602 79,203 0,050 0,012 0,003 14,438

160 серийные 113160027323 80,024 0,110 0,072 0,012 16,939

113160027276 74,825 0,102 0,062 0,016 13,144

113160027316 79,677 0,080 0,042 , 0,003 16,796

модифиц. 113160092365 89,010 0,061 0,006 0,006 11,717

I13160007850 88,333 0,047 0,008 0,009 13,641

113160007849 87,577 0,073 0,009 0,008 13,082

а) б)

Рис. 10. Фото1рафии ПЧЭ, используемого в серийных ТП МИДА (я), и с оптимизированной топологией для уменьшения температурного дрейфа нулевого сигнала ТП (б)

Виды старого (МД-007) и нового ПЧЭ (МД-010) приведены на рис. 10. Из сравнения статистических данных для ТП с ПЧЭ МД-007 и МД-010 (рис. 11) можно сказать, что благодаря внедрению в производство датчиков ПЧЭ с топологией МД-010 удалось снизить температурный дрейф нулевых сигналов ТП в 2-3 раза.

■ МД-010 □ МД-007

Диптпон измерения, МП»

Рис. 11. Величины температурных дрейфов нулевого выходного сигнала ТП в диапазоне температур -40..+80 "С для серийных ТП МИДА со старой (МД-007) и новой (МД-010) топологией ПЧЭ па разные диапазоны измерения.

В этой главе также приведены данные разработки унифицированных ПЧЭ с новой топологией для двухмембранных ТП, состоящей только из радиальных ТР, расположенных на границе жесткого центра и на периферии мембраны. Данные сравнительных испытаний серийных и опытных образцов ТП показывают (см. таблицу 2), что использование ПЧЭ с топологией МД-009 (рис. 12) позволяет дополнительно снизить аддитивную погрешность двухмембранных ТП (за счет в два раза меньшей разности ТКС у используемых ТР), без изменения остальных метрологических характеристик. Разработана конструкция балочного ТП с узким ПЧЭ с топологией МД-012 (рис. 12), которая уменьшает площадь ПЧЭ и соответственно снижает их стоимость, а также повышает чувствительность ТП с балочным УЭ в 1.5 раза по сравнению с приборами других конструкций, что позволяет снизить нижний предел измеряемых давлений.

6)

Рис. 12. Фотографии ПЧЭ с радиально-радиальной топологией тензосхемы для ТГ1 двухмембранного конструктива (а), и для ТП балочного конструктива (б).

Таблица 2. Метрологические характеристики ТП

с серииными радиальными ТР.

(МД-007) и

кПа ПЧЭ УЭ №ТП чувствительность м В/5 В нелинейность, % вариация, % гистерезис, % темп, дрейф пуля. мВ/120°С

1130M6096605 : 56,880 -, : 0.027 ; ■ 0,012 - 0,006 7.811

МД-007 1130M6096613 7: .54,510 . 0,018 0,0 ! 2 0.007 : 6,960

X 1130М6096651 ■ 52,069 , 0,033 0.011 0.007 9.023

0,6 О. ю 1130M6096722 53,433 0.021 0.016 . 0,010 - 6.442 '

U X 1130M6096S17 52,899 0,234 0,016 0,007 2,056

МД-009 1130M6096620 53,414 0,222 0,002 0,000 5,436

1130M6096640 55,389 0,247 0,014 0,005 0,832

1I30M6096703 55,549 0,282 0,021 0,003 4,001

11310К053022 : 26,684 - 0.081 0.022 : 0,019 7,261

га ; 11310К.053019 27,085-. ' 0.041 ■ : 0,015--.- 0.011 --.6.437

МД-007 ; о," 11310К052989 л. 26,446 0,079 -■-. : 0,011 - 0,0? 3 /'8,188 : -

•-Я'- 11310К053047 : 25,526 ' - ■ (1.069 : 0,031. 0.027 - 5,582

- S 11310К053037 - 23.44s 0.055 11.017 0.017 6,148.: ■

11310K307277 23,860 0,082 0,014 0,009 2,325

о 11310К259922 27,332 0,036 0,030 0.009 -1,577

10 11310K279O33 30.575 0,036 0,028 0,012 -1,276

S 1 I310K279036 20,102 0,044 0,018 0,013 -2,728

МД-012 3 I1310K279035 27,675 0,051 0,022 0,026 -2,788

1 I310K307277 33,681 0,085 0,018 0,002 -3,484

га M 113I0K259922 39,930 0,089 0,033 0,003 -1,911

а ю П310К279033 45,983 0,029 0,035 0,044 -1,882

11310К279036 31,533 0,043 0,024 0,003 -2,679

1I310K279035 40.806 0,052 0,014 0,005 -3,552

В заключении приведены основные результаты работы. В соответствии с поставленными целями и задачами в диссертационной работе были получены следующие новые научные и практические результаты:

1. Экспериментально определено распределение изменения сопротивления под действием давления радиальных и тангенциальных полупроводниковых тснзорезисторов на мембранных упругих элементах чашечного типа одно- и двухмембранных тензопреобразователей давления с чувствительными элементами на основе структур «кремний на сапфире».

2. Показано, что широко используемое аналитическое описание распределения деформаций на поверхности мембранного упругого элемента чашечного типа в тензопреобразователях давления не соответствует действительности, особенно при больших значениях отношения толщины мембраны к ее диаметру. Хотя экспериментальные результаты получены на ТПс ПЧЭ на основе КНС, указанный вывод справедлив для любых ТП с упругими элементами чашечного типа.

3. Экспериментально подтверждена справедливость численной математической модели ТП давления, полученной методом конечных элементов. Показано, что для количественного согласия расчетных значений профилей изменения сопротивления ТР с экспериментом необходимо при расчете учитывать не только параметры мембранного упругого элемента, но и конструкцию ТП давления в целом.

4. На основе результатов исследований проведена оптимизация топологии чувствительного элемента на основе структур КНС и параметров мембранного упругого элемента, что позволило снизить нелинейность (в 1,2-1,6 раза), вариацию (в 3-7 раз), температурный дрейф нулевого сигнала (в 2,5-3 раза).

5. На основе результатов исследований предложен чувствительный элемент балочного типа с радиально-радиальными тензорезисторами для двухмембранных преобразователей давления, имеющий в 3,3 раза меньшую площадь, чем стандартный чувствительный элемент.

6. Разработан преобразователь давления балочного типа, имеющий повышенную чувствительность, что позволяет вдвое уменьшить нижний предел измеряемых давлений датчиков давления на основе КНС (до 1,6-2,5 кПа).

7. Разработанные оптимизированные конструкции ТП с размещением тензорезисторов в зоне максимальных деформаций мембраны а также чувствительный элемент с оптимизированной топологией внедрены в серийное производство тензопреобразователей и датчиков давления в Промышленной группе МИДА.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Козлов, А.И. Моделирование тензопреобразователей давления на основе структур КНС. Одномембранныс преобразователи / А.И. Козлов, A.B. Пирогов, В.М. Стучебников // Датчики и системы. - 2008. - №1. - С. 6-11.

2. Козлов, А.И. Моделирование тензопреобразователей давления на основе структур КНС. Двухмембраппые преобразователи / А.И. Козлов, A.B. Пирогов, В.М. Стучебников // Датчики и системы. - 2009. - №8. - С. 50-53.

3. Козлов, А.И. Сравнительные характеристики однослойных и двуслойных тензопреобразователей давления па основе структур КНС / А.И. Козлов,

A.A. Устинов, Ю.С. Нагорнов // Материалы электронной техники. - 2012. -№1. — С. 66-67.

4. Козлов, А.И. Экспериментальное определение распределения деформаций в круглой упругой мембране тензопреобразователя давления / А.И. Козлов,

B.М. Стучебников // Приборы. - 2014. - №7. - С. 41-44.

Публикации в других изданиях

5. Козлов, А.И. Оптимизация топологии тензорезисторных чувствительных элементов на основе структур КНС / А.И. Козлов, A.B. Пирогов, В.М. Стучебников // «Датчики и системы - 2005» : сборник докладов международной научно-технической конференции,—Пенза, 2005.-С.245-247.

6. Козлов, А.И. Распределение деформаций на поверхности тензопреобразователей давления на основе структур КНС / А.И. Козлов, A.B. Пирогов, В.М. Стучебников // «Датчики и системы - 2005» : сборник

докладов международной научно-технической конференции. — Пенза, 2005. -С. 248-250.

7. Козлов, А.И. Распределение деформаций на поверхности тензопреобразователей давления на основе структур КНС / А.И. Козлов, A.B. Пирогов, В.М. Стучебников // «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» : материалы V Российской научно-технической конференции (20-21 апреля 2006 года). — Ульяновск, 2006.-Т. 1.-С. 105-108.

8. Козлов, А.И. Повышение точности микроэлектронных преобразователей давления на основе структур КНС / А.И. Козлов, Д.Б. Мартынов, A.B. Пирогов, В.М. Стучебиикоп // «Энергоресурсосбережение. Диагностика -2008» : сб. науч. тр. X Международной научно-практичсской конференции. - Димитровград, 2008. - С. 159-168.

9. Васьков, Ю.А. Цифровой метод коррекции температурной погрешности преобразователей давления на основе структур «кремний на сапфире» / Г.А. Емельянов, А.И. Козлов // Радиоэлектронная техника : межвузовский сборник научных трудов : под ред. В.А. Сергеева. - Ульяновск, УлГТУ, 2009. - С. 72-79.

Ю.Бушев, Е.Е. Высокоточные преобразователи давления на основе структур КНС / А.И. Козлов, Д.Б. Мартынов, В.М. Стучебников // «Механометрика -2010» : тезисы докладов XIII Международного научно-технического семинара (20-23 апреля 2010 года). - Москва, 2010. - С. 78-82.

Козлов Александр Ипатьевич

Исследование и разработка мембранных тензопреобразовагелей давления

Автореферат

Подписано в печать 26.11.2014. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 1248.

ИПК «Венец», 432027, г. Ульяновск, Северный Венец, 32.