|
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
|
|