Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка новых типов первичных преобразователей параметров давления с токовым выходом на основе алмазных микроэлектромеханических систем для перспективных типов космических аппаратов, информационных и автоматизированных систем управления транспортными и космическими системами

Номер контракта: 14.577.21.0177

Руководитель: Афанасьев Сергей Анатольевич

Должность руководителя: Начальник технологического отдела НИИ информатика МИРЭА

Докладчик: Афанасьев Михаил Сергеевич, Заведующий кафедрой МИРЭА

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА Российский технологический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
микроэлектромеханическая система, алмаз, преобразователь, датчик, давление

Цель проекта:
Разработка технических решений в области новых типов первичных преобразователей параметров давления на основе алмазных материалов с улучшенными электрофизическими и эксплуатационными характеристиками для перспективных средств вооружения и военной техники, информационных и автоматизированных систем управления транспортными и космическими системами. Создание и применение семейства унифицированных алмазных первичных преобразователей для контроля и измерения параметров давления позволит обеспечить объективный контроль параметров, осуществить диагностику узлов и агрегатов на объектах вооружений и военной техники и адаптировать их к использованию в составе компьютеризированных систем. Повысит надежность первичных преобразователей давления в 5-6 раз по отношению к существующим прототипам, обеспечит стойкость к воздействию внешних факторов во всём диапазоне требований, предъявляемых к аппаратуре объектов вооружения и военной техники стационарного и подвижного базирования.

Основные планируемые результаты проекта:
Аналитический обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР. Результаты исследования, обоснования и выбора методов и средств решения поставленных задач. Сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике. Исследование вариантов конструкции и топологии алмазной микроэлектромеханической системы для емкостного и индуктивного типов алмазного первичного преобразователя (ПП) давления. Результаты исследования влияния воздействующих факторов на характеристики алмазного ПП. Схемотехнические и конструктивные решения, выбор полимерных и других материалов, обеспечивающих предъявляемые к аппаратуре требования. Результаты выбора, исследования и отработки технологии применения мастик, клеев, герметиков и материалов конструктивных элементов алмазного ПП. Результаты исследовательских испытаний экспериментальных образцов (ЭО) алмазных микроэлектромеханических систем и алмазного ПП. Рекомендации по совершенствованию технологических процессов изготовления алмазных микроэлектромеханических систем. Рекомендации по улучшению линейности характеристик, температурной стабильности алмазного ПП, защиты от электромагнитных воздействий. Обобщение результатов ПНИЭР, проверка соответствия их требованиям ТЗ, оценка результативности ПНИЭР и эффективности результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем. Технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов. Рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИЭР в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках. Математическая модель алмазной микроэлектромеханической системы. Эскизная конструкторская и технологическая документация на ЭО алмазных микроэлектромеханических систем и алмазного ПП. Технологическая документация на ЭО алмазных микроэлектромеханических систем и алмазного ПП. Программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов алмазных микроэлектромеханических систем и алмазного ПП. Экспериментальные образцы алмазных микроэлектромеханических систем. Экспериментальные образцы алмазных ПП. Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики. Проект ТЗ на ОКР по теме: «Разработка и изготовление новых типов первичных преобразователей параметров давления с токовым выходом на основе алмазных микроэлектромеханических систем для перспективных типов космических аппаратов, информационных и автоматизированных систем управления транспортными и космическими системами».
Технология "Krystal Bond™" (American sensor technologies) является новейшей технологией в МЭМС для производства датчиков давления. Использование МЭМС тензорезисторов в этой технологии обеспечивает точные, повторяемые измерения. Тензорезистор представляет собой металлическую диафрагму, на поверхность которой молекулярно осаждается при высокой температуре неорганические материалы. При понижении температуры неорганический связующий материал затвердевает в положении над центром датчика и обеспечивает кремнию свойства тензометрического датчика, создавая тем самым чувствительный элемент. Эксплуатационная деформация такого датчика менее чем 15%, что обусловлено пределом текучести используемого металла. Приборы на основе технологии "Krystal Bond™" чувствительны к высоким нагрузкам, высоким температурам, химическому и радиационному воздействию. Материал диафрагмы, находясь под давлением, приближается к пределу текучести.
Одним из перспективных направлений в разработке современных датчиков является использование алмазных и алмазоподобных материалов.
Уникальные физические параметры алмаза обеспечат эффективную и стабильную работоспособность микромеханических и электронных устройств на его основе в критических условиях. К числу преимуществ алмаза для создания микроэлектронных устройств и сенсоров относятся:
- химическая и электрическая стабильность;
- возможность работы в химически агрессивных средах;
- хорошие пьезорезистивные свойства;
- беспрецедентные значения твердости;
- отличная износостойкость и низкий коэффициент трения, термическая и химическая стабильность.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Применяемые в настоящее время первичные преобразователи давления основаны на потенциометрическом и индуктивном принципе действия, разработаны на базе устаревших технологий, сложно адаптируются, а зачастую и не могут быть использованы в системах компьютерной обработки.
Первичные преобразователи, выполненные на потенциометрическом принципе характеризуются низкой эксплуатационной надежностью, нестабильными метрологическими параметрами и высокой температурной зависимостью. Выходной сигнал от первичного преобразователя без искажений не может быть передан на расстояние.
Индукционный способ преобразования давления основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Он имеет ряд недостатков по магнитным воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитные наводки. Первичные преобразователи требуют питания переменным током. Полезные сигналы первичного преобразователя не могут быть обработаны компьютеризированной системой.
Первичные преобразователи на указанных принципах действия не соответствуют требованиям комплексу государственных стандартов по внешним механическим и температурным воздействиям. В связи с чем, разработчики АСУ вынуждены использовать импортные аналоги и комплектацию.
Ведущие зарубежные фирмы (Окситроль, Келлер, Друк, Эндевко, Ханивелл) и отечественные предприятия – изготовители первичных преобразователей давления проявляют значительный интерес к использованию интегральных чувствительных элементов на основе монокристаллического алмаза. Это обусловлено тем, что алмазные преобразователи имеют на порядок большую временную и температурную стабильность. Основными достоинствами алмазных первичных преобразователей данного типа являются: высокая стабильность характеристик, устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям, низкие (практически отсутствуют) гистерезисные эффекты, высокая точность, возможность измерять давление различных агрессивных средств, относительно низкая цена.
Зависимость выходного тока ПП прямо пропорциональна измеряемой величине, например, чем выше давление, тем больше ток на выходе ПП.
Согласно стандартам существует три диапазона токовых сигналов: 0…5мА, 0…20мА и 4…20мА.
Выходной сигнал диапазона 0…5мА подвержен действию помех. Если сигнал такого датчика колеблется при неизменном значении измеряемого параметра, то есть рекомендации параллельно выходу датчика установить конденсатор емкостью 0.1…1мкФ. Более устойчивым является токовый сигнал в диапазоне 0…20мА.
Но оба этих диапазона нехороши тем, что ноль в начале шкалы не позволяет однозначно определить, измеряемый сигнал на самом деле принял нулевой уровень, или оборвалась линия связи. Поэтому от использования этих диапазонов стараются, по возможности, отказаться.
Более надежным считается сигнал аналоговых датчиков с выходным током в диапазоне 4…20мА. Помехозащищенность его достаточно высокая, а нижний предел, даже если измеряемый сигнал имеет нулевой уровень, будет 4мА, что позволяет говорить о том, что линия связи не оборвана.
Еще одной хорошей особенностью диапазона 4…20мА является то, что датчики можно подключать всего по двум проводам, поскольку именно таким током питается сам датчик. Это его ток потребления и одновременно измерительный сигнал.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Создание и применение семейства унифицированных алмазных первичных преобразователей для контроля и измерения параметров давления позволит обеспечить объективный контроль параметров, осуществить диагностику узлов и агрегатов на объектах вооружений и военной техники и адаптировать их к использованию в составе компьютеризированных систем. Повысит надежность первичных преобразователей давления в 5-6 раз по отношению к существующим прототипам, обеспечит стойкость к воздействию внешних факторов во всём диапазоне требований, предъявляемых к аппаратуре объектов вооружения и военной техники стационарного и подвижного базирования.
Результаты работы рекомендуются для модернизации технологического комплекса для изготовления нового поколения устройств микромеханики и МЭМС на основе алмазоподобных наноструктурных материалов в информационных и автоматизированных системах управления транспортными и космическими системами, для контроля прецизионного позиционирования инструмента в составе современных прецизионных станков, удовлетворяют высоким требованиям к экологии окружающей среды и к надежности при функционировании машин.

Текущие результаты проекта:
Современное оборудование, перспективные средства вооружения и военной техники, информационные и автоматизированные системы управления транспортными и космическими системами предъявляют повышенные требования к автоматизации рабочего цикла, легкости обслуживания, работе с ограниченным участием оператора, автоматизация надзора и диагностики условий работы оборудования, контроль параметров и точность обработки деталей, поэтому в настоящее время все более широкое распространение разработки технических решений в области новых типов первичных преобразователей параметров давления на основе алмазных материалов с улучшенными электрофизическими и эксплуатационными характеристиками. Датчики производятся ведущими производителями, такими как IFM Electronic, Balluff, Leuze, Telemacanique. Алмазные датчики давления, ускорения и перемещения могут быть использованы в технике для измерения давления и ускорения при воздействии повышенной температуры, ионизирующего излучения, химических агрессивных сред, а также для прецизионного позиционирования инструмента в составе станков.
Одной из важных задач при изготовлении подобных конструкций является размерная обработка алмазных пластин. Из известных технологических процессов обработки алмазных пластин наиболее экономичным является процесс лазерной обработки. Качественно новые результаты были достигнуты при шлифовании алмаза термохимическим способом. Этот способ позволяет достигнуть шероховатости поверхности 6 - 10 нм для природного монокристалла алмаза при начальном значении шероховатости 30 нм. В ходе испытаний была измерена шероховатость R поверхности алмазной пластины до, и после обработки. Измерения шероховатости проводились на профилометре «Alpha Step 200». Датчик давления работает следующим образом. При воздействии давления на мембрану, сформированную в подложке сильно легированного кремния и являющуюся нижним электродом конденсатора, она прогибается, меняя расстояние между нижним электродом и верхним, которым является слой металлизации второй пластины кремния, и меняет, таким образом, емкость. При этом пропорционально изменению емкости меняется выходной сигнал в специальной измерительной схеме, в которую датчик включен. Изменение выходного электрического сигнала пропорционально перемещению мембраны, которое, в свою очередь, пропорционально давлению, вызывающее это перемещение. Расширение диапазонов измерений датчика давления может быть достигнуто, посредством изготовления мембраны в виде алмазной пленки.