[
На правах рукописи
МОСКАЛЕВ Сергей Александрович
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ С УЛУЧШЕННЫМИ
ТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства
вычислительной техники и систем управления
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
ПЕНЗА 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».
доктор технических наук, профессор
Научный руководитель – Васильев Валерий Анатольевич Чувыкин Борис Викторович,
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-вычислительные системы» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»;
Папко Антонина Алексеевна, доктор технических наук, главный конструктор направления ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт"
Ведущая организация – им. М. В. Проценко» (г. Заречный, Пензенская обл.).
Защита диссертации состоится «» июля 2013 г., в часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».
Автореферат разослан «» «» 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Гурин Евгений Иванович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Повышение качества и надежности информационноизмерительных и управляющих систем ракетно-космической и авиационной техники, атомной промышленности, автомобилестроения, медицины и других неразрывно связано с совершенствованием датчиков различных физических величин.
Особое место среди них занимают датчики давления, поскольку около 60 % измеряемых параметров связано с давлением.
В России действуют более 40 предприятий, выпускающих датчики давления.
В числе лидеров такие отечественные предприятия, как ОАО «НИИФИ» (г. Пенза), ПГ «Метран» (г. Челябинск), НПП «Элемер» (г. Зеленоград), ЗАО «НПК ВИП»
(г. Екатеринбург), «БД Сенсорс РУС» (г. Москва), ПГ МИДА (г. Ульяновск), ЗАО «Орлэкс» (г. Орел), МИЭТ (г. Москва), ОАО Энгельское опытно-конструкторское бюро «Сигнал» им. А. И. Глухарева (г. Энгельс, Саратовская обл.). К ведущим зарубежным производителям датчиков давления можно отнести Honeywell International, Inc. (США); Kulite Semiconductor Products (США); Kyowa Electronic Instruments Co., Ltd. (Япония), Motorola (США), Druck (Англия) и ряд других компаний.
История развития полупроводниковых датчиков давления во многом связана с решением задач повышения точности и надежности. Об этом свидетельствует большое количество работ, опубликованных различными авторами и научными коллективами.
Решению проблем улучшения характеристик датчиков посвящены работы Е. М. Белозубова, В. А. Васильева, В. И. Ваганова, И. В. Волохова, З. Ю. Готры, В. А. Гридчина, В. В. Грищенко, Е. А. Мокрова, А. А. Папко, В. М. Стучебникова, В. А. Тихоненкова, А. И. Тихонова, R. G. Jackson, J. Fraden, A. D. Kurtz и др.
Однако в существующих работах недостаточное внимание уделено вопросам расчета полупроводниковых микроэлектромеханических систем (МЭМС) датчиков давления, повышения точности (чувствительности, линейности) путем оптимизации конструктивных параметров МЭМС. Известные разработки датчиков основаны преимущественно на практическом опыте и интуиции разработчиков, что затрудняет проектирование новых более совершенных датчиков.
Наиболее распространенный метод изготовления полупроводниковых МЭМС датчиков давления – с применением монокристаллического кремния в качестве воспринимающей давление мембраны, в которой формируется мостовая измерительная схема из тензорезисторов, преобразующая деформацию в электрический сигнал. Изоляция электрической схемы от кремниевой подложки обеспечивается p-n-переходом или использованием слоя диэлектрика. Основными преимуществами полупроводниковых МЭМС по сравнению, например, с тонкопленочными являются относительно высокая чувствительность, малые габариты и групповая технология изготовления. Анализ методов изготовления полупроводниковых датчиков давления показал, что перспективным является создание МЭМС на базе профилированных кристаллов.
Несмотря на большой объем исследований в области создания полупроводниковых МЭМС, проведенных учеными различных стран, многие вопросы по оптимальному построению полупроводниковых МЭМС остаются нерешенными.
Известные методики расчета полупроводниковых МЭМС базируются на решениях, разработанных во второй половине прошлого века и предусматривающих в качестве основного параметра, регулирующего диапазоны измерений датчика, изменение толщины воспринимающей давление мембраны. Существующие расчетные соотношения между местоположением тензоэлементов и геометрическими размерами мембраны и жесткого центра получены на основе упрощенных моделей, не учитывающих реальные конструктивно-технологические особенности формирования упругих элементов (УЭ) из монокристаллического кремния.
Для создания полупроводниковых МЭМС датчиков давления с улучшенными техническими характеристиками требуются новые более совершенные методики расчета полупроводниковых МЭМС, позволяющие производить расчет с большей точностью. При этом необходимы теоретические и экспериментальные исследования функционирования основных элементов и узлов МЭМС для установления закономерностей влияния их геометрических параметров на выходной сигнал датчиков. На данной основе возможны разработка полупроводниковых МЭМС с улучшенными техническими характеристиками, создание датчиков давления повышенной точности, обладающих высокой чувствительностью, линейностью.
Таким образом, диссертационная работа, посвященная совершенствованию методик расчета полупроводниковых МЭМС и созданию датчиков давления с улучшенными техническими характеристиками для устройств систем управления, является актуальной.
Цель диссертационной работы – совершенствование теоретической и технической базы средств создания полупроводниковых МЭМС датчиков давления с улучшенными техническими характеристиками для устройств систем управления.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
изучение и анализ современного состояния разработок и исследований в области создания полупроводниковых МЭМС датчиков давления для определения направлений их совершенствования;
теоретическое и экспериментальное исследование функционирования полупроводниковых МЭМС на базе профилированных кристаллов с квадратной мембраной при воздействии давления с целью улучшения технических характеристик датчиков давления;
разработка методики расчета полупроводниковых МЭМС датчиков давления, обеспечивающих проектирование датчиков давления повышенной точности, обладающих высокой чувствительностью, линейностью;
разработка алгоритма и программы, реализующих предложенную методику расчета полупроводниковых МЭМС датчиков давления;
разработка новых технических решений полупроводниковых МЭМС датчиков давления повышенной точности, обладающих высокой чувствительностью, линейностью.
Объектом исследования являются полупроводниковые микроэлектромеханические системы датчиков давления.
Предметом исследования являются методики расчета и оптимизации параметров полупроводниковых микроэлектромеханических систем датчиков давления.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с применением современных систем автоматизированного проектирования и инженерного анализа, метода конечных элементов, теории механики деформируемого тела.
Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе ОАО «НИИФИ» (г. Пенза).
Научная новизна работы:
1. Установлены зависимости относительных деформаций плоской поверхности упругих элементов полупроводниковых МЭМС от геометрических параметров профилированных кристаллов с мембранами квадратной формы численным моделированием с использованием программного пакета SolidWorks, позволяющие оценить влияние параметров кристаллов на их чувствительность к давлению.
2. Разработаны математические модели профилированных кристаллов полупроводниковых МЭМС для определения местоположения максимальных и равных по абсолютной величине относительных деформаций их плоской поверхности, отличающиеся от традиционных учетом геометрических параметров формы, что позволяет решать задачи повышения чувствительности и уменьшения погрешности датчиков.
3. Введены и определены коэффициенты деформационной чувствительности профилированных кристаллов с мембранами квадратной формы, на основе полученной функции преобразования полупроводниковых МЭМС и установленных зависимостей относительных деформаций от геометрических параметров кристаллов, позволяющие с повышенной точностью рассчитывать выходной сигнал датчиков давления.
4. Установлены соотношения между местоположением тензоэлементов и геометрическими размерами мембраны и жесткого центра для профилированных кристаллов, которые позволяют оптимизировать параметры МЭМС по критериям максимума чувствительности или минимума нелинейности выходной характеристики датчика давления.
Практическая значимость:
1. Получены аналитические выражения для расчета геометрических параметров полупроводниковых МЭМС, использование которых позволяет сократить время разработки полупроводниковых датчиков давления.
2. Определены оптимальные соотношения между параметрами полупроводниковых МЭМС, которые позволяют повысить чувствительность и уменьшить погрешность датчиков давления.
3. Разработана инженерная методика расчета полупроводниковых МЭМС на базе профилированных кристаллов с мембранами квадратной формы, позволяющая снизить длительность разработки и повысить технические характеристики датчиков давления.
4. Разработаны алгоритм и программа для инженерных расчетов на основе предложенной методики, которые на этапе проектирования позволяют осуществить точный расчет полупроводниковых МЭМС на базе профилированных кристаллов с мембранами квадратной формы.
5. Предложены новые технические решения полупроводниковых МЭМС датчиков давления, реализующие установленные оптимальные соотношения между параметрами МЭМС, обеспечивающие повышенную точность измерения.
6. Разработаны с использованием предложенной инженерной методики расчета новые конструкции полупроводниковых МЭМС датчиков давления с улучшенными техническими характеристиками: повышенной чувствительностью, линейностью, надежностью, которые могут широко использоваться при создании систем управления различного назначения.
На защиту выносятся:
1. Установленные численным моделированием зависимости между относительными геометрическими параметрами профилированных кристаллов с мембранами квадратной формы и относительными деформациями плоской поверхности кристаллов полупроводниковых МЭМС, применение которых позволило оценить влияние параметров на чувствительность кристаллов к давлению.
2. Математические модели профилированных кристаллов полупроводниковых МЭМС для определения местоположения максимальных и равных по абсолютной величине относительных деформаций их плоской поверхности, позволяющие оптимизировать размещение тензоэлементов (тензорезисторов) по критериям максимума чувствительности или минимума нелинейности мостовой измерительной цепи датчика.
3. Математические модели полупроводниковых МЭМС для определения основных геометрических параметров профилированных кристаллов, соответствующих заданному (номинальному) измеряемому давлению, учитывающие оптимальный коэффициент деформационной чувствительности и местоположение максимальных или равных по абсолютной величине относительных деформаций, обеспечивающие повышенную точность расчетов МЭМС.
4. Методика расчета полупроводниковых МЭМС датчиков давления, отличающаяся от ранее известных тем, что она основана на полученных математических моделях для определения основных геометрических параметров и позволяет более точно определять геометрические размеры мембраны, жесткого центра и места расположения тензоэлементов по заданному давлению.
Реализация и внедрение результатов исследований. Диссертационная работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2013)»: мероприятие 1. Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов (рег. № 1.11.09, 7.17382011), наименование проекта: «Комплексные исследования и разработка гетерогенных структур преобразователей информации, устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов»; мероприятие 2. Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки (рег. № 2.1.2/4431, 2.1.2/10274), наименование проекта: «Проведение фундаментальных научных исследований свойств тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем при воздействии стационарных и нестационарных температур». В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг.: мероприятие 1.3.1. Поддержка научных исследований, проводимых молодыми учеными – кандидатами наук по научному направлению «Индустрия наносистем» в области «Компьютерное моделирование наноматериалов, наноустройств и нанотехнологий» (Грант № 14.В37.21.0938), наименование проекта: «Компьютерное моделирование наноэлектромеханических систем интеллектуальных датчиков физических величин».
Результаты проведенных научных исследований были использованы при разработке чувствительных элементов измерительного функционального модуля давления и температуры ИФМДТ ОКР «Сэндвич-Т» – «Разработка распределенного измерительного функционального модуля давления и температуры на основе наноэлектромеханических систем для встраивания в базовые несущие конструкции изделий ракетно-космической техники и объектов наземной космической инфраструктуры» (госконтракт от 04.05.2012 № 783-Б045/12 с Роскосмосом);
при выполнении работ по теме НИР «Солярис» – «Разработка технологии изготовления высокотемпературных датчиков давления на базе структур «поликремний-диэлектрик» (госконтракт от 30.11.2011 № 11411.1000400.18.006 с Минпромторгом).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и межвузовских научно-практических и научно-технических конференциях, семинарах и симпозиумах: «Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 20102011); «Микротехнологии в космосе» (Москва, 2010); «Университетское образование» (Пенза, 2011); «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (Пенза, 2011); «Методики, техника и аппаратура внутренних и внешних испытаний» (Пенза, 2011); «Датчики и системы» (Пенза, 20112012); «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2012); «Надежность и качество» (Пенза, 2012), «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 20122013).
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 19 статьях, среди которых 2 – в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК. Новизна технических решений подтверждена 2 патентами РФ на изобретения и 1 свидетельством на топологию интегральной микросхемы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения, списка используемой литературы и 4 приложений. Она изложена на 140 страницах, включает 49 рисунков, 5 таблиц. Список литературы содержит 79 наименований. Приложения представлены на 15 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, раскрыта практическая значимость работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.В первой главе представлен анализ современного состояния разработок и исследований в области создания полупроводниковых МЭМС датчиков давления.
Выявлено, что наиболее технологичны в качестве упругих элементов для полупроводниковых МЭМС профилированные кристаллы с мембранами квадратной формы с жестким центром и без него (рис. 1). Наиболее распространенными методами изготовления полупроводниковых МЭМС датчиков давления являются: объемная микромеханика и поверхностная микромеханика, представленная такими структурами, как «кремний на диэлектрике», «поликремний на диэлектрике», «кремний на сапфире», «карбид кремния на диэлектрике». Отмечены основные преимущества и недостатки каждого метода.
Анализ современного состояния разработок датчиков давления на базе полупроводниковых МЭМС показал, что наиболее широко применяемым методом изготовления полупроводниковых МЭМС датчиков давления как в России, так и за рубежом остается объемная микромеханика.
Рис. 1. Упругие элементы полупроводниковых МЭМС датчиков давления на базе профилированных кристаллов с мембранами квадратной формы Aкр, aм, aц – размер внешней стороны кристалла, мембраны и жесткого центра соответственно; Hкр, hм, hц – толщина кристалла, мембраны и жесткого центра Датчики давления на базе данного метода отличает высокая точность измерения (на уровне 0,2 %) и высокий уровень выходного сигнала (порядка 1015 мВ/В), однако их применение ограничивает температура измеряемой среды (до 120 °С). Использование в качестве изоляции приборного слоя диэлектрика:
структуры «кремний на диэлектрике», «кремний на сапфире» – позволило практически расширить диапазон рабочих температур до 300 °С, вместе с тем в данных структурах возникает погрешность от нелинейности, что ведет к возрастанию относительной погрешности, которая в среднем достигает 1 %.
Использование поликремния в качестве приборного слоя позволило производителям датчиков давления изготавливать МЭМС с выходным сигналом на уровне объемного кремния (710 мВ/В), погрешностью измерения на уровне 0,5 % в диапазоне температур от –60° до 200 °С. Использование карбида кремния отечественными и зарубежными компаниями в качестве материала для полупроводниковых МЭМС датчиков давления открыло возможность измерений давления при температурах до 600 °C. Однако технология изготовления МЭМС на основе карбида кремния в России мало освоена.
На основе анализа методик расчета полупроводниковых МЭМС датчиков давления выявлено, что для получения максимальной чувствительности тензорезисторы размещают на поверхности упругого элемента в областях с максимальными деформациями. Основным параметром, позволяющим регулировать диапазон измерения, является толщина мембраны. Однако известные аналитические выражения для определения деформаций поверхности упругого элемента, а также расчета толщины мембраны не учитывают других геометрических параметров упругих элементов полупроводниковых МЭМС, в частности, угол травления кремния. Отмечено, что нелинейность функции преобразования является наиболее распространенной причиной, снижающей точность датчика давления. Погрешность нелинейности может составлять 3...6 %.
Во второй главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований функционирования полупроводниковых МЭМС на базе профилированных кристаллов с квадратной мембраной при воздействии давления.
Получены функции преобразования полупроводниковых МЭМС датчиков давления на базе профилированных кристаллов (см. рис. 1) с квадратной мембраной без жесткого центра (формула (1)) и с жестким центром (формула (2)):
где Uвых – выходной сигнал измерительной цепи МЭМС; Uпит – напряжение питания; KL – коэффициент тензочувствительности тензорезисторов, расположенных по направлению оси Oх; Kt – коэффициент тензочувствительности тензорезисторов, расположенных по направлению оси Oy; Kм и K ц – коэффициент деформационной чувствительности для профилированного кристалла с квадратной мембраной без жесткого центра и с жестким центром соответственно; E – модуль Юнга; P – воздействующее давление.
Для получения максимального выходного сигнала в полупроводниковых МЭМС датчиков давления тензорезисторы размещают в областях с максимальными относительными деформациями ||max. Вместе с тем размещение тензорезисторов в областях с равными по абсолютной величине относительными деформациями позволяет устранить погрешность от нелинейности мостовой измерительной цепи датчиков давления. Численным моделированием определялись местоположения максимальных и равных по абсолютной величине относительных деформаций.
Относительные расстояния, соответствующие местоположению данных деформаций, отсчитывались от центра мембраны и определялись как отношение определенного расстояния к половине размера мембраны.
При аппроксимации результатов моделирования рассчитывалась относительная погрешность аппроксимации в каждой точке полученных данных.
На графиках зависимостей представлены максимальные значения относительной погрешности аппроксимации max, которые лежат в пределах от 0,032 до 3,906 %.
По результатам численного моделирования установлены основные геометрические параметры формы профилированных кристаллов, влияющие на местоположение максимальных и равных по абсолютной величине относительных деформаций на плоской поверхности кристаллов. Для профилированных кристаллов с квадратной мембраной – это отношение размера стороны мембраны к ее толщине aм / hм. Для профилированных кристаллов с квадратной мембраной и жестким центром – отношение размера стороны мембраны к ее толщине aм / hм и отношение размера жесткого центра к размеру стороны мембраны aц / aм.
На рис. 2 представлена полученная зависимость относительного расстояния rmax М, соответствующего местоположению максимальных относительных деформаций на плоской поверхности профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы, от отношения размера стороны мембраны к ее толщине aм /hм.
Рис. 2. Местоположение максимальных относительных деформаций На рис. 3 представлены полученные зависимости относительного расстояния rmax Ц, соответствующего местоположению максимальных относительных деформаций на плоской поверхности профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы и жестким центром, от отношения размера жесткого центра к размеру мембраны aц /aм (рис. 3,а) и отношения размера стороны мембраны к ее толщине aм /hм (рис. 3,б).
Рис. 3. Местоположение максимальных относительных деформаций для кристаллов с мембраной квадратной формы и жестким центром Проведенное численное моделирование позволило установить относительное расстояние соответствующее местоположению равных по абсолютной величине относительных деформаций на плоской поверхности профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы, где L = aм /2 – относительное расстояние от центра кристалла до края мембраны, а также длину линии с равными деформациями по обе стороны от осей кристалла (рис. 4).
Для профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы и жестким центром установлены зависимости местоположения равных по абсолютной величине относительных деформаций от отношения размера жесткого центра к размеру мембраны aц /aм (рис. 5,а,б) и отношения размера стороны мембраны к ее толщине aм /hм (рис. 5,в,г). На рис. 5 rmin Ц – относительное расстояние на плоской поверхности кристалла, где относительные отрицательные деформации принимают максимальное значение; rц – относительное расстояние на плоской поверхности кристалла, где относительные положительные деформации принимают значение, равное по абсолютной величине максимальным относительным отрицательным деформациям.
Рис. 4. Местоположение равных по абсолютной величине относительных деформаций на плоской поверхности кристаллов с мембраной квадратной формы:
1 – относительные деформации || принимают значение +;
2 – относительные деформации принимают значение – Рис. 5. Местоположение равных по абсолютной величине относительных деформаций на плоской поверхности кристаллов Для учета изменения чувствительности в зависимости от использования в работе УЭ зоны деформации были введены коэффициенты деформационной чувствительности осевой K || – в направлении оси Oх (Oy) и поперечный K – в направлении, перпендикулярном оси Oх (Oy).
На основе функций преобразования полупроводниковых МЭМС получены формулы для расчета Kм (формула (5)) и K ц (формула (6)) для профилированных кристаллов с мембранами квадратной формы без жесткого центра и с жестким центром соответственно:
где – значение относительной деформации.
По результатам численного моделирования установлены основные геометрические параметры формы профилированных кристаллов, влияющие на изменение коэффициентов деформационной чувствительности. Для профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы – это отношение размера стороны мембраны к ее толщине aм /hм и отношение толщины кристалла к толщине мембраны Hкр /hм. Для профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы и жестким центром – это отношение толщины жесткого центра к толщине мембраны hц /hм, отношение размера жесткого центра к размеру стороны мембраны aц /aм, отношение размера стороны мембраны к ее толщине aм /hм, отношение толщины кристалла к толщине мембраны Hкр /hм.
На рис. 6 представлены полученные зависимости изменения максимального коэффициента деформационной чувствительности K ||max м для профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы, соответствующего местоположению максимальных относительных деформаций, от отношения размера стороны мембраны к ее толщине aм /hм (рис. 6,а) и отношения толщины кристалла к толщине мембраны Hкр /hм (рис. 6,б).
Рис. 6. Влияние геометрических параметров кристаллов с плоской мембраной на изменение максимального коэффициента На рис. 7 представлены полученные зависимости изменения максимального коэффициента деформационной чувствительности K ||max ц для профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы и жестким центром от отношений толщины жесткого центра к толщине мембраны hц /hм (рис. 7,а), размера жесткого центра к размеру мембраны aц /aм (рис. 7,б), размера стороны мембраны к ее толщине aм /hм (рис. 7,в), толщины кристалла к толщине мембраны Hкр /hм (рис. 7,г).
Рис. 7. Влияние геометрических параметров кристаллов с жестким центром на изменение максимального коэффициента На рис. 8 представлены установленные зависимости изменения коэффициента деформационной чувствительности K ||ц для профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы и жестким центром, соответствующего местоположению равных по модулю относительных деформаций, от отношения толщины жесткого центра к толщине мембраны hц / hм (рис. 8,а); отношения размера жесткого центра к размеру мембраны aц / aм (рис. 8,б); отношения размера мембраны к ее толщине aм / hм (рис. 8,в); отношения толщины кристалла к толщине мембраны Hкр / hм (рис. 8,г).
Установлено, что при hц /hм 4 данное отношение не оказывает влияния на изменение коэффициента деформационной чувствительности.
Полученные зависимости позволяют оценить влияние геометрических параметров профилированных кристаллов на их чувствительность к давлению.
В третьей главе описаны математические модели профилированных кристаллов полупроводниковых МЭМС для определения местоположения максимальных и равных по абсолютной величине относительных деформаций и оптимальных коэффициентов деформационной чувствительности профилированных кристаллов.
Рис. 8. Влияние геометрических параметров кристаллов с жестким центром на изменение коэффициента деформационной чувствительности K||, соответствующего расположению центров тензорезисторов в областях с равными по модулю относительными деформациями На основе зависимости относительного расстояния (см. рис. 2) получена математическая модель для определения местоположения максимальных относительных деформаций на плоской поверхности профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы:
На основе зависимостей относительных расстояний rmax Ц, rmin Ц и rц от aц /aм (см. рис. 3,а; 5,а, и 5,б соответственно) и от aм /hм (рис. 3,б, 5,в, 5,г соответственно) получены математические модели для определения местоположения максимальных и равных по абсолютной величине относительных деформаций на плоской поверхности профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы и жестким центром:
На основе установленных зависимостей K ||max м от aм /hм (рис. 6,а) и от Hкр /hм (рис. 6,б) получено выражение (11) для определения коэффициента деформационной чувствительности, соответствующего местоположению максимальных относительных деформаций, для профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы:
На основе установленных зависимостей, K ||max ц и K ||ц от aц /aм (см. рис. 7,б;
8,б соответственно); от aм /hм (см. рис. 7,в; 8,в соответственно) и от Hкр /hм (рис. 7,г; 8,г соответственно) получены выражение (12) для определения коэффициента деформационной чувствительности, соответствующего местоположению максимальных относительных деформаций, и выражение (13) для определения коэффициента деформационной чувствительности, соответствующего местоположению равных по абсолютной величине относительных деформаций, для профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы и жестким центром:
По результатам моделирования установлены соотношения между местоположением тензоэлементов и относительным размером мембраны Lmax М и Lmax МЦ для профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы без жесткого центра и с жестким центром соответственно, обеспечивающие расположение тензоэлементов в областях с максимальными относительными деформациями:
где l – расстояние от центра мембраны до центра тензорезистора.
Установлены соотношения между местоположением тензоэлементов и относительными размерами жесткого центра Lц и мембраны Lм для профилированных кристаллов с мембраной квадратной формы и с жестким центром, обеспечивающие расположение тензоэлементов в областях с равными по абсолютной величине относительными деформациями:
где l1 – расстояние от центра мембраны до центра тензорезистора, воспринимающего относительные положительные деформации; l2 – расстояние от центра мембраны до центра тензорезистора, воспринимающего относительные отрицательные деформации.
На основе выражений (7)–(17) получены математические модели:
(18), (19) для определения местоположения тензорезисторов и толщины мембраны при фиксированных значениях размера мембраны и модели (20), (21) для определения размера и толщины мембраны при фиксированном расположении тензорезисторов, обеспечивающие повышенную чувствительность проектируемых МЭМС;
(22), (23) для определения местоположения тензорезисторов и толщины мембраны при фиксированных значениях размера мембраны, размера жесткого центра и модели (24), (25) для определения размера и толщины мембраны, размера жесткого центра при фиксированном расположении тензорезисторов, обеспечивающих повышенную линейность мостовой измерительной цепи проектируемых МЭМС:
где rmax М определяется по выражению (7); K ||max м определяется в соответствии с выражением (11). Выражение для расчета толщины мембраны hм получено на основе функции преобразования (1):
где rmax Ц определяется по выражению (8); K ||max ц определяется в соответствии с выражением (12). Выражение для расчета толщины мембраны hм получено на основе функции преобразования (2):
где Lmax М определяется по выражению (14); K||max м определяется в соответствии с выражением (11):
где Lmax МЦ определяется по выражению (15); K ||max ц определяется в соответствии с выражением (12):
где K||max м определяется в соответствии с выражением (11):
где rmin Ц определяется по выражению (9); rц определяется по выражению (10); K ||ц определяется в соответствии с выражением (13):
где K ||max м определяется в соответствии с выражением (11):
где Lц определяется по выражению (16); Lм определяется по выражению (17); K ||ц определяется по выражению (13).
При этом границы области расположения тензорезисторов должны быть в пределах, соответствующих выражению (4).
Автором разработана методика расчета полупроводниковых МЭМС датчиков давления с использованием полученных математических моделей для определения основных геометрических параметров, обеспечивающая проектирование датчиков давления повышенной чувствительности, линейности. Методика содержит следующие этапы:
1) определение коэффициентов тензочувствительности KL и Kt в зависимости от выбранной технологии изготовления полупроводниковой МЭМС;
2) выбор упругого элемента полупроводниковой МЭМС. При проектировании МЭМС на малые давления (от 0,05 до 0,5 МПа) для повешения линейности выходной характеристики рекомендуется использовать кристаллы с мембраной квадратной формы и жестким центром;
3) рассчитывается максимальная относительная деформация на плоской поверхности профилированных кристаллов полупроводниковых МЭМС при заданном напряжении питания Uпит. и требуемом номинальном выходным сигнале Uвых по формуле Полученное значение max не должно превышать величины 4·10–3;
4) расчет параметров упругих элементов по заданной величине измеряемого давления. Фиксируемые параметры (расположение тензорезисторов или размер мембраны и жесткого центра) определяются разработчиком. Если необходимо обеспечить повышенную чувствительность проектируемых МЭМС, то решается одна из систем уравнений (18)–(21), повышенную линейность – одна из систем уравнений (22)–(25).
Для реализации описанной методики разработаны алгоритм и программа для инженерных расчетов, которые на этапе проектирования позволяют осуществить достаточно точный расчет полупроводниковых МЭМС на базе профилированных кристаллов с мембранами квадратной формы.
В четвертой главе описываются новые технические решения полупроводниковых МЭМС датчиков давления, реализующие установленные оптимальные соотношения между параметрами МЭМС, обеспечивающие повышенную точность измерения, обладающие высокой чувствительностью, линейностью.
Дается описание запатентованной конструкции полупроводниковой МЭМС датчика давления с двумя тензометрическими мостами и частотным интегрирующим преобразователем, обеспечивающей повышенную точность измерения, чувствительность и надежность. Повышенная надежность обеспечивается за счет наличия двух тензометрических мостов, находящихся в зонах одинаковых деформаций и рабочих температур, а чувствительность обеспечивается за счет того, что обе мостовые измерительные цепи подключены к частотному интегрирующему развертывающему преобразователю (ЧИРП). За счет повышения чувствительности и усреднения характеристик мостовых измерительных цепей повышается точность датчика при сохранении независимости параметров выходного сигнала от напряжения питания тензомоста.
В другой конструкции полупроводниковой МЭМС датчика давления, на которую также получен патент, точность повышается за счет размещения тензорезисторов в областях с равными по абсолютной величине относительными деформациями. При этом относительные изменения сопротивлений всех тензорезисторов равны по абсолютной величине, не возникает погрешность от нелинейности измерительной цепи, вследствие чего повышается точность. То, что все тензорезисторы занимают одинаковую площадь, и размещены на одинаковом расстоянии от центра кристалла, позволяет обеспечить одинаковые температурные условия работы при воздействии нестационарных температур (термоудара), что также позволяет повысить точность измерения.
Еще в одной предложенной конструкции полупроводниковой МЭМС с жестким центром на мембране надежность повышается за счет того, что при воздействии перегрузочных давлений жесткий центр опирается на стеклянное основание. В связи с размещением тензорезисторов, воспринимающих относительные отрицательные деформации, в областях максимальных относительных отрицательных деформаций, а тензорезисторов, воспринимающих относительные положительные деформации, в областях относительных положительных деформаций, по абсолютному значению равных максимальным относительным отрицательным деформациям, уменьшена нелинейность мостовой измерительной цепи датчика, за счет этого повышена его точность. Кроме того, разработанная конструкция полупроводниковой МЭМС датчика давления обладает повышенной технологичностью, поскольку представляется возможным заранее определять оптимальное расположение тензорезисторов при различных значениях отношения размера жесткого центра к размеру мембраны.
Сопоставление экспериментальных и теоретических исследований показало, что применение разработанных методик, алгоритма и программы позволяет проектировать полупроводниковые МЭМС на различные диапазоны измеряемых давлений с разбросом выходного сигнала не более 6,6 %, в то время как в серийно выпускаемых полупроводниковых МЭМС разброс выходного сигнала достигает 55 % (точность расчетов повышается более чем в 7 раз). Конструкции полупроводниковых МЭМС датчиков давления, созданные с использованием предложенных инженерных методик расчета, обеспечивают повышение чувствительности, значительное уменьшение погрешности нелинейности.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В результате проведенных исследований совершенствована теоретическая и техническая база средств создания полупроводниковых МЭМС датчиков давления с улучшенными техническими характеристиками для устройств систем управления.1. Проведено изучение и анализ современного состояния разработок и исследований в области создания полупроводниковых МЭМС датчиков давления.
Выявлено, что наиболее технологичными являются профилированные кристаллы с мембранами квадратной формы. Перспективно направление совершенствования таких МЭМС по пути улучшения технических характеристик, в частности, повышения чувствительности, линейности.
2. Теоретически и экспериментально исследовано функционирование полупроводниковых МЭМС на базе профилированных кристаллов с квадратной мембраной при воздействии давления. Установлены зависимости относительных деформаций плоской поверхности упругих элементов полупроводниковых МЭМС от относительных геометрических параметров профилированных кристаллов с мембранами квадратной формы, которые позволили провести оценку влияния параметров на чувствительность кристаллов к давлению.
3. Разработаны математические модели профилированных кристаллов полупроводниковых МЭМС для определения местоположения максимальных и равных по абсолютной величине относительных деформаций их плоской поверхности, позволяющие оптимизировать размещение тензоэлементов (тензорезисторов) по критериям максимума чувствительности или минимума нелинейности мостовой измерительной цепи датчика и решить задачу повышения чувствительности и уменьшения погрешности датчиков.
4. Установлены соотношения между местоположением тензоэлементов и геометрическими размерами мембраны и жесткого центра для профилированных кристаллов, которые позволили оптимизировать параметры МЭМС по критериям максимума чувствительности или минимума нелинейности датчика давления.
5. Введены и определены коэффициенты деформационной чувствительности профилированных кристаллов, позволяющие с повышенной точностью рассчитывать выходной сигнал датчиков давления на основе полупроводниковых МЭМС.
6. Предложены математические модели полупроводниковых МЭМС для определения основных геометрических параметров профилированных кристаллов, соответствующих заданному (номинальному) измеряемому давлению, учитывающие оптимальный коэффициент деформационной чувствительности и местоположение максимальных или равных по абсолютной величине относительных деформаций, обеспечивающие повышенную точность расчетов МЭМС.
7. Разработаны методики расчета полупроводниковых МЭМС датчиков давления, обеспечивающие проектирование датчиков давления повышенной точности, обладающие высокой чувствительностью и линейностью для широкого диапазона номинальных давлений (от 0,05 до 140 МПа), позволяющие снизить длительность процесса проектирования датчиков.
8. Разработаны алгоритм и программа для инженерных расчетов на основе предложенных методик. Применение разработанных методик, алгоритма и программы позволило повысить точность расчетов МЭМС более чем в 7 раз (погрешность расчетов снижена с 55 до 6,6 %).
9. Разработаны новые технические решения полупроводниковых МЭМС датчиков давления, реализующие установленные оптимальные соотношения между параметрами МЭМС, обеспечивающие повышенную точность измерения, чувствительность, линейность. Конструкции полупроводниковых МЭМС датчиков давления, созданные с использованием предложенных инженерных методик расчета, обеспечивают повышение чувствительности в 3 раза, значительное уменьшение погрешности нелинейности.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Москалев, С. А. Интегральный датчик давления, ускорения и температуры на базе МЭМС-технологий / С. А. Москалев, А. В. Блинов, А. Е. Мишанин, И. В. Ползунов // Датчики и системы. – 2012. – № 9. – С. 9–12.2. Москалев, С. А. Частотные преобразователи параметров резистивных датчиков для автоматизированных систем контроля / В. А. Васильев, И. Р. Вергазов, Н. В. Громков, С. А. Москалев // Новые промышленные технологии. – 2010. – № 1. – С. 33–38.
3. Москалев, С. А. Моделирование деформаций полупроводниковых мембран / С. А. Москалев, В. А. Васильев, Н. В. Громков // Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем : сб. ст. науч.-техн. конф.
(г. Пенза, 25–27 мая 2010 г.). – Пенза : Приволжский Дом знаний, 2010.
4. Москалев, С. А. Моделирование полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давления / С. А. Москалев // Датчики и системы : сб. докл.
XXX межрегион. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов. – Пенза : ОАО «НИИФИ», 2011. – С. 159162.
5. Москалев, С. А. Расчет областей деформаций для чувствительных элементов датчиков абсолютного давления / С. А. Москалев // Датчики и системы : сб. докл.
XXX межрегион. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов. – Пенза : ОАО «НИИФИ», 2011. – С. 246249.
6. Москалев, С. А. Расчет областей деформаций для чувствительных элементов датчиков абсолютного давления / С. А. Москалев // Датчики и системы 2011: тр.
Междунар. науч.-техн. конф. / под ред. акад. междунар. академии информатизации и Российской инженерной академии информатизации и Российской инженерной академии А. Г. Дмитриенко. – Пенза : ОАО «НИИФИ», 2011. – С. 187190.
7. Москалев, С. А. Интегральные датчики давления на основе кремниевой микротехнологии / С. А. Москалев, А. В. Блинов, С. А. Исаков, С. А. Козин, А. В. Федулов, В. Е. Пауткин // Микротехнологии в космосе – 2010 : тр. VIII науч.-техн. конф.
– М. : Радиотехника, 2011. – С. 190194.
8. Москалев, С. А. Моделирование и расчет деформаций полупроводникового кристалла квадратной формы с центральной тонкой частью / С. А. Москалев // Университетское образование : тр. XV Междунар. науч.-метод. конф. – Пенза, 2011. – С. 432–434.
9. Москалев, С. А. Топология полупроводниковых квадратных кристаллов для датчиков давления / С. А. Москалев // Университетское образование : тр. XV Междунар. науч.-метод. конф. – Пенза, 2011. – С. 434–436.
10. Москалев, С. А. Моделирование полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давления / С. А. Москалев // Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем : тр. V Междунар. науч.техн. конф. молодых специалистов, аспирантов и студентов. – Пенза, 2011. – С. 171173.
11. Москалев, С. А. Компьютерное моделирование чувствительных элементов датчиков давления / С. А. Москалев // Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны : тр. междунар. науч.-практ. конф. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. – Ч. 2. – С. 250251.
12. Москалев, С. А. Моделирование как способ выбора оптимальных конструктивно-технологических решений при создании датчико-преобразующей аппаратуры / С. А. Москалев // Методики, техника и аппаратура внутренних и внешних испытаний : тр. науч.-техн. конф. в рамках Всерос. науч. шк. – Пенза, 2011. – С. 17–19.
13. Москалев, С. А. Полупроводниковый датчик давления с частотным выходом повышенной чувствительности / С. А. Москалев, В. А. Васильев, Н. В. Громков // Инновационные информационные технологии. – 2012. – № 1. – С. 383–385.
14. Москалев, С. А. Применение МСТ-технологий для разработки интегрального многофункционального датчика физических величин / С. А. Москалев, В. А. Гафнер, А. Е. Мишанин, И. В. Ползунов // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий : тр. V Всерос. науч.-техн. конф. – М. :
Радиотехника, 2012.
15. Москалев, С. А. Современные методы повышения эффективности работы полупроводниковых датчиков давления в условиях воздействия повышенной температуры / С. А. Москалев, Н. К. Юрков, И. В. Ползунов // Надежность и качество :
тр. междунар. симп. – Пенза, 2012. – Т. 2. – С. 46–47.
16. Москалев, С. А. Анализ и разработка полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давления, отличающихся повышенной точностью и надежностью, для информационно-измерительных систем / С. А. Москалев // Всерос. конк. науч.-исслед. работ ст. и асп. в обл. техн. наук : материалы работ победителей и лауреатов конкурса. – СПб., 2012. – С. 131–133.
17. Москалев, С. А. Полупроводниковые чувствительные элементы для датчиков давления с улучшенными характеристиками на базе структур «поликремний-диэлектрик» для информационно-измерительных систем / С. А. Москалев, И. В. Ползунов, А. А. Родионов // Датчики и системы: методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Датчики и системы – 2012) : тр. Междунар. науч.-техн. конф. с элементами научной школы для молодых ученых. – Пенза, 2012. – С. 166–169.
18. Москалев, С. А. Инженерные методики проектирования высокотемпературных датчиков давления базе структур «поликремний-диэлектрик» / С. А. Москалев, И. В. Ползунов, А. А. Родионов // Датчики и системы: методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Датчики и системы – 2012) : тр. Междунар. науч.-техн. конф. с элементами научной школы для молодых ученых. – Пенза, 2012. – С. 171–175.
19. Москалев, С. А. Полупроводниковые датчики давления для ракетной и авиационной техники / С. А. Москалев, В. А. Васильев, Н. В. Громков // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : сб. ст. Междунар. науч.-техн.
конф. (г. Пенза, 23–25 апреля 2013 г.) / под ред. д.т.н., проф. М. А. Щербакова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. – С. 214–217.
20. Пат. 2430342 Российская Федерация, МПК G01L 9/00. Полупроводниковый датчик давления с частотным выходным сигналом / Москалев С. А., Васильев В. А., Громков Н. В. Заявка 2010133556/28, от 10.08.2010; опубл. 27.09.2011 – 10 с.
21. Пат. 2451270 Российская Федерация, МПК G01L9/04. Полупроводниковый датчик абсолютного давления повышенной точности / Москалев С. А., Васильев В. А., Громков Н. В. Заявка 2011113209/28 от 05.04.2011, опубл. 20.05.2012. – 20 с.
22. Москалев, С. А. Термокомпенсационный измерительный преобразователь – 41 / Москалев С. А., Ползунов И. В., Ползунова Е. Н. ТИМС № 2012630123.
Заявка № 2012630094 от 03.07.2012, опубл. 27.08.2012.
«