Введение к работе
Актуальность работы. Характерной чертой мирового технологического развития конца XX века является выделение интегрально образующихся (комплексных) технологий, к которым относятся и технологии микромеханических систем. Как в нашей стране, так и за рубежом наблюдается устойчивый рост интереса к разработкам интегральных датчиков давлений, что связано с возможностью эффективного решения с их помощью ряда задач контроля и управления. Возможности измерительных приборов, таких как барометрические высотомеры, вариометры, гидродинамические расходомеры и т. д. всегда определялись характеристиками первичных преобразователей. Существующие конструкции интегральных тензорезисторных датчиков давлений не удовлетворяют современным требованиям из-за высокого уровня измерительных шумов, а также температурной и временной нестабильности метрологических характеристик. Данная работа проводилась в соответствии с тематикой научных исследований по договору предприятия ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА" (г. Арзамас) с Департаментом авиационной промышленности Госкомоборонпрома РФ № 71 - 1003 Б на разработку емкостного датчика малых давлений от 08. 04. 1996 г., а также планом основных научных работ Арзамасского филиала Hi ГУ по проблеме "Разработка и исследование интегральных датчиков первичной информации".
Цель работы. Целью диссертации является разработка и исследование интегральных датчиков давлений и их узлов, а также расчетных соотношений, совокупность которых имеет прикладное значение в развитии перспективного направления в отрасли интегрального приборостроения.
Задачи диссертационной работы:
1. Анализ физических процессов в интегральных чувствительных элементах (ЧЭ), интегральных электронных узлах и системах датчиков давлений с точки зрения современных требований к измерительным приборам с примене-
ниєм уравнений математической физики, теории автоматического управления, аэрогидродинамики, электротехники, теории упругости, компьютерного моделирования и т. д.
-
Проведение экспериментальных исследований статических характеристик интегральных датчиков давлений, результаты которых позволяют судить о точности и преимуществах интегральных конструкций перед традиционными схемами объемного монтажа.
-
Получение практического подтверждения теоретических результатов диссертации.'
Объект исследования. Объектом исследования является интегральные датчики давлений, выполняемые на базе монокристаллического кремния:
Кремниевые мембраны с жестким центром и без него.
Преобразователи прогибов мембран в электрический сигнал.
Приборы для измерения давлений.
Микроэлектронные преобразователи и узлы, встраиваемые в "датчики давлений.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы математического и физического моделирования, натурный эксперимент и синтез оптимальных решений, методы полупроводниковой схемотехники, теоретической механики, аэрогидродинамики, теории упругости и теории систем автоматического управления.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана математическая модель интегральной микромеханической мембраны в общем виде с учетом влияния дефектов и процесса демпфирования подвижного узла.
-
Получены теоретические соотношения для расчета микроэлектронных преобразователей, предназначенных для совместной работы с интегральными микромеханическими ЧЭ.
-
Разработаны методики расчета погрешности определения статической характеристики неидеальной интегральной мембраны и погрешности, обусловленной воздействием вибрации.
-
Разработан метод компенсации погрешностей датчика относительных давлений при изменении температуры окружающей среды.
-
Реализованы результаты расчета погрешностей на математической модели существующего интегрального измерителя давлений.
Практическая ценность работы:
1. Теоретические решения доведены до практического использования в
расчетах характеристик и в оптимизации параметров разрабатываемых инте
гральных датчиков давлений.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде рекомендаций и расчетных соотношений для определения важнейших характеристик датчиков позволяют сократить сроки разработок новых измерителей давлений.
-
Разработанные методики определения статических характеристик интегральных датчиков давлений и их погрешностей с помощью испытательного оборудования позволяют получить основные метрологические параметры приборов.
-
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Арзамасском филиале НГТУ на кафедре "Авиационные приборы и устройства" по специальности 190300.
Реализация в промышленности. Выводы, рекомендации и результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены на предприятии ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА" (г. Арзамас), что подтверждается соответствующими документами.
Апробация работы. Диссертация и отдельные ее разделы обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и совещаниях:
На региональной научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин", Н. Новгород, 1997, 1998 г. г.
На межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 97", Москва, 1997 г.
На межвузовской научно-технической конференции, Казань, 1997 г.
На расширенном заседании кафедры "Авиационные приборы и устройства" Арзамасского филиала НГТУ в 1998 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, из них 3 статьи (1 - в печати), 5 - тезисы докладов на научно-технических конференциях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка литературы и содержит 110 страниц машинописного текста: иллюстраций - 42 (рисунки, схемы, графики), таблиц - 16, список литературы - 68 наименований.
1. Математическая модель интегральной мембраны для датчика давле
ний.
-
Прикладные теоретические зависимости для расчета параметров передаточной функции несовершенной интегральной мембраны.
-
Прикладные теоретические зависимости для расчета погрешностей интегральных датчиков давлений.
-
Разработанная электрическая принципиальная схема для частотного датчика давлений с линеаризацией статической характеристики.
5. Экспериментальные результаты для проверки адекватности и пределов
применимости теоретических решений по определению важнейших характе
ристик интегральных датчиков давлений и их узлов.
