Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0177

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0177
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет"
Название доклада
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
Докладчик
Гладченков Евгений Вадимович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на создание новых типов первичных преобразователей (ПП) параметров давления на основе алмазных материалов, обладающих улучшенными электрофизическими и эксплуатационными характеристиками.
Цель реализуемого проекта - создание чувствительных элементов ПП непрерывного преобразования измеряемого давления в аналоговый сигнал.
Целью создания чувствительных элементов ПП является контроль и измерение физических величин в составе перспективных типов военной техники, информационных и автоматизированных систем управления объектами.
Создание и применение семейства унифицированных алмазных ПП для контроля и измерения параметров давления позволит обеспечить объективный контроль параметров, осуществить диагностику узлов и агрегатов на объектах военной техники и общетехнического применения и адаптировать их к использованию в составе компьютеризированных систем.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность темы определяется тем фактом, что в настоящее время приборы контроля параметров давления находят все большее применение в различных отраслях промышленности, авиации и ракетостроении, в информационных и автоматизированных систем управления. Высокие требования к таким приборам по таким критериям как: пределы измерения, точность измерений, надежность и стабильность в работе, предъявляют и соответствующие требования к датчикам. Датчик - это преобразователь измеряемой (контролируемой) физической величины в величину, удобную для дальнейшего преобразования или измерения. Датчик является обязательным элементом измерительных приборов, систем контроля и регулирования и т.п. Собственно, без датчиков невозможны ни измерение, ни контроль, ни регулирование.
Основные усилия производителей датчиков сконцентрированы на повышении чувствительности, снижении потребляемой мощности и габаритных размеров, увеличении стабильности и долговечности в работе первичных преобразователей параметров давления. Давление - важнейший параметр многих технологических процессов.
Описание исследования

Первичные преобразователи параметров давления обычно включают подвижные или деформируемые чувствительные элементы, чаще всего подвижную мембрану, и могут быть реализованы в виде абсолютных датчиков давления, дифференциальных датчиков или датчиков, измеряющих относительное давление. Некоторые датчики специального типа ориентируются по эталону, включенному в микромеханическое изделие датчика, давление измеряется по отношению к опорному давлению.

Важнейшим эксплуатационным фактором при создании первичных преобразователей параметров давления является материал мембраны. Современные микроэлектронные технологии создания первичных преобразователей параметров давления основаны на использовании материалов, электрофизические и механические характеристики которых отвечают основным требованиям, предъявляемым к датчикам в наиболее распространенных областях промышленного и бытового применения. Применение данных материалов в условиях длительного воздействия критических ускорений и частот, в сочетании с температурной нестабильностью, радиационным или химическим воздействием, заставляет данные материалы работать на пределе своих возможностей или делает их малопригодными для использования в качестве эффективных детекторов и устройств.

При изготовлении датчика давления в данной работе использовалась алмазная пленка CVD, а чувствительный элемент выполнен в виде тонкой мембраны в форме круга. Материал мембраны может оказать решающую роль при использовании датчика в агрессивных средах, в таком случае предлагается использовать алмазные материалы. Алмазные датчики давления могут быть использованы в перспективных типах космических аппаратов, информационных и автоматизированных систем управления транспортными и космическими системами. Выполнять функцию измерения давления при воздействии повышенной температуры, ионизирующего излучения, химических агрессивных сред.

Емкостные датчики с использованием алмазных материалов являются достойной альтернативой датчикам давления на основе кремния. Алмазные материалы по своим электрофизическим и механическим свойствам, высочайшим значениям стойкости в условиях термических, химических, и радиационных воздействий не имеют конкурентов среди природных и искусственных материалов. Использование алмазных материалов в элементах датчиков давления обеспечивает:

- повышение быстродействия и точности измерений за счет применения уникальных механических свойств алмаза и эффективных принципов преобразования;

- расширение диапазонов измерений в сторону критических значений измеряемых величин;

- повышение температурной устойчивости, в том числе при нестационарных воздействиях;

- увеличение ресурса;

- повышение надежности.

Для эффективной работы датчика, диафрагма должна быть равномерной. Необходимо точно контролировать её толщину с отсутствием собственного механического напряжения. Эти характеристики достигаются путем формирования микроструктуры при помощи плазмы или травления, например, изотропного травления (для профилей, совпадающих с гранью кристалла) или анизотропного травления (для более резко изогнутого, непрерывного профиля изделия).

Для разработки новых типов первичных преобразователей параметров давления на основе алмазных материалов с улучшенными электрофизическими и эксплуатационными характеристиками проводится математическое моделирование параметров системы. При статистических и динамических испытаниях проводится моделирование работы датчика с номинальными значениями параметров при случайных вариациях этих параметров. 

Результаты исследования

Разработана методика расчета параметров и его статических и динамических характеристик, дающая минимальные среднеквадратические ошибки датчика для реальных диапазонов измерения,

Разработана математическая модель алмазной микроэлектромеханической системы предназначена для моделирования параметров датчика на различных рабочих режимах.

Точность полученных результатов, обеспечивает степень совпадения результатов математического моделирования и исследовательских испытаний с погрешностью не более 5%.

По результатам математического моделирования разработанные экспериментальныеобразцы алмазных микроэлектромеханических систем обеспечивают преобразование параметров давления в аналоговый электрический сигнал в диапазоне давления измеряемой среды от 10 до 2000 Кпа и токовым выходом от 4 до 20 мА.

Разработана эскизная конструкторская документация на емкостный и индуктивный типы алмазного первичного преобразователя и экспериментальные образцы алмазных микроэлектромеханических систем.

Выполнено изготовление экспериментальных образцов алмазных микроэлектромеханических систем и экспериментальных образцов алмазных ПП.

Произведен выбор, исследование и выполненна отработка технологии применения мастик, клеев, герметиков и материалов конструктивных элементов алмазного ПП.

 

Практическая значимость исследования
Разрабатываемые унифицированные алмазные первичные преобразователи для контроля и измерения параметров давления позволят обеспечить объективный контроль параметров, осуществить диагностику узлов и агрегатов на объектах вооружений и военной техники и адаптировать их к использованию в составе компьютеризированных систем, а также повысить надежность первичных преобразователей давления в 5-6 раз по отношению к существующим прототипам, обеспечить стойкость к воздействию внешних факторов во всём диапазоне требований, предъявляемых к аппаратуре объектов вооружения и военной техники стационарного и подвижного базирования.