Rus | Eng 
Меню
Новости
Технологии
О нас
Устав АТА
Порядок приема
Конференции
Семинары
E-Обучение
Фонды
Полезные ссылки
Контакты
Поиск



Top
Рейтинг@Mail.ru


МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ — ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ БЛЕСТЯЩИХ ОБЛИЦОВОЧНЫХ ПЛИТ ДЛЯ РАКЕТНОЙ И АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
Категория: Новости | Новость от: admin | 19-02-2010

З.А. БАБАЯН


МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ — ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ БЛЕСТЯЩИХ ОБЛИЦОВОЧНЫХ ПЛИТ ДЛЯ РАКЕТНОЙ И АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ


Рассмотрены пути совершенствования преобразователей информации, в частности, первичных преобра¬зователей (датчиков) информации. Описаны проблемы, возникающие при использовании датчиков в ракетно-космической и авиационной технике. Представлены конструкции тонкопленочных нано- и микроэлектро-меха¬нических систем, являющихся основой современных и перспективных тензорезисторных датчиков давления. Определены направления исследований в целях минимизации влияния критичных дестабилизирующих факто¬ров (температуры, вибрации) на эти системы и датчики давления на их основе.

Возрастающие требования к информации вызывают не¬обходимость дальнейшего совершенствования ее преобразователей. В задачах измерения, контроля и управле¬ния на первый план выдвигаются проблемы повышения точности, стабильности, достоверности, информативности и др.

В реальных условиях эксплуатации первичные преобра¬зователи информации (датчики) подвержены воздействию различного рода дестабилизирующих факторов, снижающих эффективность преобразования информации. Так, воспри¬ятие и первичное преобразование давления в ракетном дви¬гателе происходят на фоне мощного и быстроизменяющегося теплового поля (в интервале температур от - 253 до + 3500 °С), воздействия значительных по амплитуде (более 10000 м/с2) и частоте (до 30 кГц) вибрационных нагрузок. В условиях действия на датчик нестационарных температур (термоудара) окружающей или исследуемой среды в боль¬шинстве случаев возникают значительные погрешности из¬мерений. Скачкообразное изменение температуры вызывает переходные температурные процессы в датчике, при¬водит к возникновению динамической температурной по¬грешности, которая может достигать 60 % в течение несколь¬ких секунд. По мере установления переходных процессов динамическая погрешность уменьшается и приближается к статической. Обеспечение стабильности датчиков давления в условиях действия нестационарных температур является серьезной проблемой при использовании их в ракетно-космической и авиационной технике. Изучение влияния деста¬билизирующих факторов на элементы конструкций и инфор¬мативный сигнал этих датчиков открывает возможность раз¬вития методов, обеспечивающих эффективное преобразо¬вание информации.

Необходимость измерения давлений непосредственно в местах протекания высокоэнергетических процессов ра¬кетных и авиационных двигателей предъявляет высокие тре¬бования к устойчивости датчиков при воздействии дестаби¬лизирующих факторов — высоких уровней виброускорений и широкого диапазона нестационарных температур. Тонкопленочные тензорезисторные датчики давления (ТТДД} обла¬дают оптимальным сочетанием метрологических, конструк¬тивных, технологических характеристик с наивысшей устой¬чивостью к воздействию названных выше факторов по срав¬нению с датчиками аналогичного назначения других прин¬ципов преобразования. Поэтому ТТДД обеспечивают изме¬рения абсолютного большинства параметров давления жид¬костных ракетных двигателей (ЖРД). В то же время совер¬шенствование ЖРД предопределяет актуальность дальней¬шего повышения устойчивости ТТДД к воздействию дестаби¬лизирующих факторов.
Основой современных ТТДД являются тонкоплеочные нпно- и микроэлектромеханические системы (НиМЭМС) с гетерогенными структурами, а сами датчики относятся к из¬делиям нано- и микросистемной техники [1].
Отметим, что именно с использованием гетерогенных структур получаются качественно новые свойства элементов и устройств. Под гетерогенными структурами в общем смыс¬ле понимают структуры, разнородные по своему составу или происхождению (принадлежности к той или иной форме, типу, группе, классу, системе).
Тонкопленочные НиМЭМС, предназначенные для ТТДД, обычно состоят из упругого элемента (мембраны, стержня, чалки и др.) простой или сложной формы, образованной на нем методами нано- и микроэлектронной технологии гете¬рогенной герметизирующей контактной колодки, соединительных проводников. Гетерогенная структура пред¬ставляет собой сформированные на поверхности упругого элемента тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные,- терморезистивные, контактные и другие слои материалов, соединенные между собой определенным образом. Образованные в гетерогенной структуре элементы (тензо-резисторы, терморезисторы, контактные проводники и др.) объединяются в мостовую измерительную цепь (тензосхему). Тензорезисторы воспринимают деформации упругого элемента, а терморезисторы используются в качестве тер¬мокомпенсационных элементов.


Рис. 1. Тонкопле¬ночная НиМЭМС Рис. 2. Тонкопле¬ночная НиМЭМС с одной мембраной с двумя мембраной, соединенными
между собой штоком

1- гетерогенная структура; 2 -гер- 1 – шток; 2 – гетероструктура; 3 -
мовыводы; 3 – выводные провод- гермовыводы; 4 – выводные про-
ники; 4 – периферийное основа- водники; 5 – периферийное осно-
ние; 5-граница мембраны; 6- мем- вание; 6 – кольцевая проточка; 7 -
брана вторая мембрана; 8 – мембрана;
9 - жесткий центр; 10–перегородка

Наиболее широко в качестве упругого элемента приме¬няют мембрану. На рис. 1 показана конструкция тонкопле¬ночной НиМЭМС тензорезисторного датчика давления [2], в которую могут входить дополнительные элементы, улучша¬ющие те или иные свойства системы. На рис. 2 представле¬на конструкция такой системы с двумя мембранами, соеди¬ненными между собой штоком [3]. Эта система позволяет обеспечить измерение давления при более высоких темпе¬ратурах измеряемой среды благодаря тому, что гетерострук¬тура расположена на удалении от мембраны 7, контактиру¬ющей с измеряемой средой.
С точки зрения расширения температурного диапазона работы датчиков и повышения устойчивости их к воздействию нестационарных температур (термоудару) перспективными являются тонкопленочные НиМЭМС с двумя мембранами, с мембраной и балкой, с мембраной и стержнем. Конструк¬ция такой системы с мембраной и балкой [4] изображена на рис. 3. При подаче измеряемого давления на мембрану 1 последняя прогибается и шток 4 получает как осевые пере¬мещения, так и отклоняется от оси на определенный угол. Осевое перемещение штока 4 не передается на жесткий центр измерительной балки 9, так как жесткость гибкой тяги 3 в осевом направлении НиМЭМС практически близка к нулю. Радиальное перемещение штока 4 через гибкую тягу 3 передается на жесткий центр балки 9. Тензорезисторы, сфор¬мированные в гетероструктуре на балке, воспринимают де¬формацию, изменяют свое сопротивление, при этом на выходе мостовой измерительной цепи из тензорезисторов появляется выходной сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. Пе¬регородка 2, выполненная из материала с низ¬кой теплопроводностью, снижает интенсивность теплового излучения со стороны мембраны 1 на балку и гибкую тягу 3, что приводит к уменьше¬нию температурных деформаций этих элементов. В связи с этим уменьшается погрешность.
На рис. 4 показана конструкция тонкопленоч¬ной НиМЭМС с мембраной и стержнем [5]. При подаче измеряемого давления на мембрану 1 давление преобразуется в силу, которая переда¬ется стержню 2. Тензорезисторы, сформирован¬ные в гетероструктурах 3, 7 на плоских гранях стержня, испытывают деформацию. Вследствие этого на выходе мостовых измерительных цепей, образованных из тензорезисторов, появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давле¬нию. Эту систему целесообразно использовать в датчиках высоких давлений. Возможность фор¬мирования нескольких измерительных цепей иа различных гранях стержневого упругого элемен¬та позволяет повысить точность и надежность НиМЭМС и датчика давления на ее основе [6,7].
Типичная гетерогенная структура тонкопле¬ночных НиМЭМС состоит из нескольких нано- и микроразмерных слоев, сформированных на металлической мембране с высотой микронеров¬ностей не более 50—100 нм. Чаще всего это че¬тыре слоя.



Рис. 3. Тонкопле¬ночная НиМЭМС Рис. 4. Тонкопле¬ночная НиМЭМС с мембраной и балкой мембраной и стержнем

1- мембрана; 2 –перегородка; 3- 1 – мембрана; 2 – стержень; 3, 7 -
гибкая тяга; 4 – шток; 5 – гайка; гетероструктуры; 4- гермовыводы;
6 – гетероструктура; 7- гермовы- 5 –основание; 6 – выводные провод-
воды; 8 – выводные проводники; ники
9 - балка

Первый слой - подслой диэлектрика, который, во-пер¬вых, служит демпфером между упругим элементом и диэ¬лектриком для снятия температурных напряжений, возни¬кающих в процессе напыления, а во-вторых, обеспечивает адгезию диэлектрической пленки с материалом упругого элемента. Толщина подслоя обычно равна 150—300 нм.
Второй — диэлектрический слой. Его задачей является обеспечение электрической изоляции между тензосхемой и упругим элементом в широком диапазоне температур. Поэтому к диэлектрику предъявляются жесткие требования по пористости, высокому удельному сопротивлению и, так как он работает при воздействии значительных механичес¬ких нагрузок, — высоким прочностным характеристикам.
Третий — резистивный слой. К нему предъявляются очень жесткие требования: максимальный коэффициент тензочувствительности; высокие механические характеристики; боль¬шое удельное сопротивление; высокая температурная ста¬бильность; хорошая адгезия с диэлектрическим слоем и материалом контактных групп; низкий температурный коэф¬фициент сопротивления; широкий рабочий диапазон тем¬ператур (от криогенных до 300 °С); температурный коэффи¬циент тензочувствительности должен быть близок к темпе¬ратурному коэффициенту модуля упругости материала упру¬гого элемента и др. По данным последних исследований ре¬зистивный слой может быть толщиной 40 — 60 нм.
Четвертый слой — контактная группа. К нему предъявля¬ют следующие требования: хорошая адгезия и низкое пере¬ходное сопротивление с материалом тензорезистора; низ¬кое удельное сопротивление; малый уровень тепловой и электромиграции; хорошая сваривае¬мость с выводными проводниками, при минимальной толщине; широкий диа¬пазон рабочих температур; низкий уро¬вень окисления при воздействии рабо¬чих температур и во времени.
Использование гетерогенных струк¬тур в тонкопленочных НиМЭМС для ТТДД перспективно. Преимущества ге¬терогенных структур проявляются при определенных условиях, соотношени¬ях параметров и характеристик состав¬ляющих компонентов. Количество и качество информации, полученной с ис¬пользованием гетерогенных структур, во многом определяется физическими свойствами их материалов.
Несмотря на большой объем иссле¬дований, проведенных учеными разных стран, возможности построения и анализа тонкопленочных НиМЭМС для ТТДД далеко не исчерпаны. При раз¬работке и создании новых более совер¬шенных систем и датчиков на их осно¬ве важную роль должно сыграть моделирование.
Моделирование преобразования информации в НиМЭМС с гетерогенными структурами, как правило, строится на ос¬нове физических моделей, учитывающих внутренние свой¬ства структур и внешнее воздействие. Физические модели простых элементов, таких как мембрана, подложка, тонкая пленка и других, входящих в состав тонкопленочных НиМЭМС датчиков давления, достаточно хорошо изучены. Вместе с тем, некоторые перспективные системы с гетерогенными структурами и направления их моделирования, связанные с преобразованием информации в структурах, исследованы недостаточно полно. Прежде всего, это относится к функци¬ональному моделированию преобразователей информа¬ции, в которых используются НиМЭМС с гетерогенными струк¬турами. При моделировании преобразования информации в этих системах актуальными являются задачи создания об¬щих (обобщенных) моделей, упрощенных моделей, опреде¬ления критериев эффективности использования структур, систем и их моделей.
Исследование общих и частных вопросов преобразова¬ния информации в тонкопленочных НиМЭМС и ТТДД на их основе в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений, применение системной ме¬тодологии, разработка и анализ моделей процессов преоб¬разования информации, совершенствование и разработка методов эффективного создания информации и уменьше¬ния влияния дестабилизирующих факторов для систем с ге¬терогенными структурами могут обеспечить создание и со¬вершенствование теоретической и технической базы средств измерений, контроля и управления, обладающих высокими качественными и эксплуатационными показателями.
На сегодняшний день для ракетной и авиационной техники требуются датчики давления, имеющие погреш¬ность не более 1—1,5% в условиях воздействия нестаци¬онарных температур измеряемой и окружающей сред, ус¬тойчиво работающие при амплитудах виброускорений 400—25000 м/с2. Однако недостаточная эффективность и отсутствие сис¬темного подхода к применению известных методов и средств минимизации нестационарных температур и повышенных виброускорений в серийных ТТДД пока не позволили дос¬тичь необходимых результатов. Погрешность многих извест¬ных серийных тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления в условиях воздействия нестационарной темпера¬туры измеряемой среды (от 25 ± 10 до -196 °С) достигает 30—40 % от предела измерений, тогда как в обычных усло¬виях основная погрешность не превышает 0,5 %.
Таким образом, для минимизации влияния критичных для тонкопленочных НиМЭМС и ТТДД на их основе дестабилизи¬рующих факторов необходимо проведение научных иссле¬дований по созданию и системному применению новых эф¬фективных методов и средств минимизации влияния неста¬ционарных температур и повышенных виброускорений. Тре¬буются развитие теории проектирования и технологии изго¬товления таких систем для ТТДД, устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов, исследование воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений на НиМЭМС, элементы и узлы датчиков, установление зако¬номерностей влияния дестабилизирующих факторов (тем¬пературы, вибрации) на выходные параметры этих систем и информативное преобразование датчиков давления, выра¬ботка научно обоснованных рекомендаций по созданию бо¬лее совершенных датчиков давления с улучшенными мет¬рологическими характеристиками для ракетно-космической и авиационной техники. Для систем измерения, контроля и управления ракетной и авиационной техники нужны бо¬лее совершенные топологии и структуры тонкопленочных НиМЭМС, формируемых методами нано- и микроэлектрон¬ной тонкопленочной технологии на упругих элементах, и дат¬чики давления на их основе, обеспечивающие устойчивость к воздействию нестационарных температур (термоудара) повышенных виброускорений.


ЛИТЕРАТУРА

1. Белозубов Е. М., Белозубова Н. Е. // Нано- и микросистемная техника — 2007. — № 12. — С. 49.
2. The МЕМS Handbook / Ed. Mohamed Gad-el-Hak. –London: CRC PRESS, 2002.
3. Пат. 1615578 РФ / Е. М. Белозубов // Открытия. Изобретения. — 1990. — № 47.
4. А. с. 1597623 СССР / В. А. Васильев, А. И. Тихонов / Открытия. Изобретения. — 1990. — № 37.
5. А. с. 1525505 СССР / В. А. Васильев, А. И. Тихонов / Открытия. Изобретения. – 1989. — № 44.
6. А. с. 1422031 СССР / А. И. Тихонов и др. // Открытия. Изобретения. — 1988. — № 33.
7. А. с. 1515081 СССР / В. А. Васильев, Е. П. Осадчий, А. И. Тихонов // Открытия. Изобретения. — 1989. — № 38.

Рекомендовано к печати академиком МИА и ИАА, док.хим.наук, проф. Г. Бабаяном

Бабаян Зиза Асатуровна, НПП ГЗАО “Камень и силкаты”, зав лаб. СК и М, канд.тех.наук
 Ереван, ул. Ачаряна 40а
 61 45 40, 58 27 89 ( дом.)

Metrological Support of Thin-film Nano- and Microelectromechanical Systems, the Basis of Modern and Perspective Pressure Sensors of Bright Facing Slabs for Space Rocket and Aviation Technics

Babayan Z. A

The ways of information converters perfection, in particular, of primary information converters (sensors), are considered. The problems arising at use of sensors in space-rocket and aviation technics, are described. The importance of thin film nano- and microelectromechanical systems (N&MEMS) for pressure sensors design is shown. The designs of thin film N&MEMS - the basis of modern and perspective tenzoresistive pressure sensors, are presented. The direction of researches with view of minimization of critical destabilizing factors influence (temperature, vibration) on thin-film N&MEMS and pressure sensors on their basis, are shown.
Ваше имя:
Ваш e-mail:
Very Happy Smile Sad Surprised
Shocked Confused Cool Laughing
Mad Razz Embarassed Crying or Very sad
Evil or Very Mad Twisted Evil Rolling Eyes Wink
Exclamation Question Idea Arrow


Код Проверки:

Введите Код:
Запомнить
Банеры
Наши партнёры

The 5th International Congress on Naturopathic Medicine

NewPOL Network
ՆյուՊոլ ցանց

ЦЕНТР "ИКАР"
EU 7TH FRAMEWORK PROGRAMME
PARADIGMA ARMENIA
GIS.am
АРМЕНМОТОР
ГУ-ВШЭ
ЕРЕВАК
Проекты АТА
Центр Здоровья и Долголетия
Путеводитель по Армении
Негорючая электропроводка. Эластичные чулки из быстро высыхающей гели с лечебными свойствами.
Создание на основе природных компонентов эффективного антикаогулянта, дешевого и без побочных явлений.
Инновационные проекты в области возобнавляемой энергетике.
Сигареты с лечебными свойствами.
Бизнес планы
Разведение форели
Разведение сомов
Разведение осетровых
Разведение собак
Амарант
Молочная ферма
Производство сыра
Топинамбур, новые сорта и комплексная переработка.
Получение фруктозы
Сахарный завод
Конячный завод
Винный завод
Биогумус

Armenian Innovation Center