Полупроводниковые датчики давления для информационно-измерительных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат наук Шокоров Вадим Александрович

• Шокоров Вадим Александрович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Шокоров Вадим Александрович

Введение

1 Анализ современного состояния разработок и исследований в области создания ИИС для изделий РКТ. Постановка задач исследования

1.1 Анализ конструкции ИИС КА и нахождение критичных элементов, влияющих на метрологические характеристики ИИС в целом

1.2 Анализ основных технических характеристик, принципов построения и классификации датчиков давления, входящих в ИИС изделий РКТ

1.3 Анализ тенденций развития полупроводниковых датчиков давления

1.4 Анализ современного состояния разработок датчиков давления

1.5 Результаты и выводы по главе

2 Теоретические исследования функционирования полупроводниковых датчиков давления на основе МЭМС

2.1 Определение путей совершенствования точности полупроводниковых датчиков давления

2.2 Определение коэффициентов тензочувствительности

2.3 Оптимизация параметров мембраны

2.4 Определение выходных характеристик с учетом расположения рабочих тензорезисторов

2.5 Оптимизация топологического рисунка травления жесткого центра

2.6 Результаты и выводы по главе

3 Особенности изготовления, настройки и обработки выходных сигналов датчиков давления на основе МЭМС, обеспечивающих повышенную точность

3.1 Технологические особенности изготовления чувствительных элементов полупроводниковых датчиков давления

3.2 Методика стабилизации и отбраковки выходных характеристик полупроводникового чувствительного элемента

3.3 Методика настройки разбаланса и температурного ухода начального выходного сигнала чувствительного элемента

3.4 Разработка структурной схемы, обеспечивающей совершенствование ИИС

3.5 Результаты и выводы по главе

4 Экспериментальное исследование изготовленных датчиков

4.1 Цель и объем испытаний

4.2 Метрологическое и материально-техническое обеспечение испытаний

4.3 Методика и результаты испытаний

4.4 Рекомендации по практическому применению разработанных датчиков

4.5 Результаты и выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А. Перечень патентов, направленных на решение определенных

задач

Приложение Б. Свидетельства о государственной регистрации результатов

интеллектуальной собственности

Приложение В. Материалы по внедрению результатов исследований

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Полупроводниковые датчики давления для информационно-измерительных систем»

Актуальность работы.

Одними из наиболее востребованных в ракетно-космической технике являются информационно-измерительные системы (ИИС) для измерения давления, обеспечивающие требуемое качество функционирования и безопасность эксплуатации таких изделий как ракетные двигатели, ракетоносители, разгонные блоки и др.

Несмотря на значительные функциональные возможности современной цифровой техники, существующие решения при разработке ИИС не позволяют обеспечивать их совершенствование без входящих в их состав датчиков. Для повышения эффективности их эксплуатации необходимы исследования новых возможностей и путей совершенствования датчиков давления, входящих в ИИС ракетно-космической техники.

Современные миниатюрные датчики давления строятся на основе технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС). Основным недостатком МЭМС-датчиков является временная и температурная нестабильность выходного сигнала из-за возможных дефектов в МЭМС-гетероструктурах. Для компенсации их влияния на метрологические характеристики датчика необходима разработка принципиально новых технических решений датчика [1, 2].

Для достижения требуемых технических и эксплуатационных характеристик ИИС актуальны исследования по повышению стабильности метрологических характеристик МЭМС датчиков давления за счет стабильности гетероструктуры и формирования компенсирующих сигналов на кремниевом кристалле с расположением на нем измерительных и компенсирующих элементов. До настоящего времени данные вопросы не решены, поэтому совершенствование датчиков в части улучшения технических характеристик затруднительно.

Степень разработанности темы исследований

Значительное количество научных трудов отечественных и зарубежных ученых посвящено отдельным направлениям, относящимся к рассматриваемой

проблематике. Существенный вклад в разработку, развитие теоретических основ, элементов и механизмов проектирования датчиков давления внесли такие отечественные и зарубежные ученые, как Ваганов В.И., Васильев В.А., Волохов И.В., Готра З.Ю., Гридчин В.А., Грищенко В.В., Конюхов Н.Е., Мокров Е.А., Мурашкина Т.И., Осадчий Е.П., Стучебников В.М., Тихонов А.И., Тихоненков В.А., Fraden J., Jackson R., Kurtz A. идр.

Разработкой и производством полупроводниковых датчиков давления за рубежом занимается большое количеством фирм, таких как Honeywell International Inc. (США), Motorolla (США), Kulite Semiconductor Products (США), Druck (Англия), Kyowa Electronic Instruments Co., Ltd. (Япония). В России полупроводниковые датчики давления выпускают ООО НПП «Элемер» (г. Зеленоград), ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева (г. Энгельс, Саратовская обл.), «БД Сенсорс РУС» (г. Москва), ПГ «Метран» (г. Челябинск), ПГ МИДА (г. Ульяновск), АО «НПК ВИП» (г. Екатеринбург). Ведущим российским производителем полупроводниковых датчиков давления на основе МЭМС является АО «НИИФИ» (г. Пенза).

В существующих отечественных разработках и теоретических работах практически не исследуются возможности совершенствования ИИС для измерения давлений с использованием встроенной компенсации нестабильностей первичных измерительных цепей, в частности мостовой схемы, за счет выполнения измерительных компенсирующих и регулирующих элементов в общем технологическом процессе изготовления чувствительного элемента на одной кремниевой пластине.

Недостаточный уровень исследований данных вопросов и значимость совершенствования ИИС, включающих в себя высокостабильные датчики со встроенной компенсацией, предопределили выбор темы диссертационной работы, постановку цели и задач исследования.

Цель диссертационной работы - улучшение метрологических характеристик полупроводниковых датчиков давления для ИИС, включающих в себя измерительные, компенсирующие и регулирующие элементы в слое

МЭМС - структуры.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ состояния и тенденций дальнейшего развития полупроводниковых датчиков давления для ИИС и определение направлений их совершенствования.

2. Разработка математических моделей полупроводниковых чувствительных элементов полупроводниковых датчиков давления с учетом геометрических параметров мембраны и жесткого центра, обеспечивающих улучшение метрологических характеристик разрабатываемого датчика давления.

3. Определение механизмов возникновения основной погрешности полупроводниковых датчиков давления для ИИС и путей ее минимизации.

4. Разработка методики стабилизации метрологических характеристик полупроводникового чувствительного элемента датчиков давления.

5. Разработка методики настройки разбаланса и температурного ухода начального выходного сигнала за счет использования дополнительного набора резисторов, изготавливаемых в общем технологическом цикле с тензорезисторами измерительного моста.

6. Разработка новых конструктивно-технологических решений для полупроводникового датчика давления, обеспечивающих улучшение метрологических и массогабаритных характеристик полупроводникового датчика давления для ИИС.

Объектом исследования являются полупроводниковые датчики давления для ИИС изделий ракетно-космической техники.

Предметом исследования являются теоретические и практические задачи создания и совершенствования полупроводниковых тензорезистивных датчиков давления, применяемых в ИИС.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с применением систем автоматизированного проектирования и инженерного анализа, метода конечных элементов, теории механики деформируемого тела.

Проблемы и задачи, решенные в диссертации, соответствуют области

исследования специальности 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение): п. 6 - Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов ИИС на основе полупроводниковых датчиков давления, улучшение их технических, метрологических и эксплуатационных характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель полупроводникового чувствительного элемента датчиков давления с квадратной мембраной, обеспечивающая улучшение метрологических характеристик полупроводниковых датчиков давления для ИИС, отличающаяся тем, что для определения их геометрических размеров с учетом требуемого значения чувствительности применяются только продольные или поперечные тензорезисторы.

2. Разработана методика определения метрологических характеристик полупроводниковых датчиков давления для ИИС, направленная на уменьшение негативного влияния нарушений технологических режимов диффузии, формирования окисла и металлизации, посторонних загрязнений на поверхности и в легирующей примеси, обеспечивающая их разбраковку на ранних стадиях изготовления.

3. Разработан алгоритм настройки чувствительного элемента полупроводниковых датчиков давления, обеспечивающий определение разбаланса и температурного ухода начального выходного сигнала путем выбора рабочих тензорезисторов с минимальным разбросом температурных коэффициентов сопротивления и тензочувствительности и включением в измерительную схему сопротивлений, расположенных вне зоны деформации.

4. Разработана методика настройки полупроводникового датчика давления для ИИС, направленная на минимизацию разбаланса и температурного ухода начального выходного сигнала, осуществляющая за счет применения дополнительно сформированных тензорезисторов и гальванически развязанных групп резисторов.

5. Разработана конструкция чувствительного элемента полупроводниковых датчиков давления с улучшенными метрологическими характеристиками, отличающаяся наличием на поверхности мембраны в области максимальных деформаций восьми радиальных тензорезисторов, а вне зоны деформации -гальванически развязанных терморезистора и групп резисторов, необходимых для настройки смещения начального выходного сигнала полупроводниковых датчиков давления.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработанные программные обеспечения (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015611256, № 2020611139) позволяют проводить предварительный расчет размеров чувствительного элемента, а также настройку датчика давления.

2. Разработанные топологии измерительных микросхем (свидетельство о государственной регистрации ТИМС № 2013630149, № 2014630010, № 2014630011, № 2014630083, № 2014630095, № 2017630008) обеспечивают повышение точности и чувствительности полупроводниковых датчиков, входящих в ИИС изделий ракетно-космической техники.

3. Разработанная конструкция чувствительного элемента с повышенной точностью и чувствительностью обеспечивает проведение встроенной настройки выходного сигнала и его термокомпенсации (Патент на изобретение № Яи 2 687 307 С1).

4. Разработанное программное обеспечение (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2018619041) позволяет проводить настройку разбаланса и температурного ухода начального выходного сигнала датчика, входящего в ИИС изделий ракетно-космической техники.

На защиту выносятся:

1. Усовершенствованная математическая модель полупроводникового чувствительного элемента с квадратной мембраной и жестким центром, позволяющая определить параметры мембраны и жесткого центра с учетом соотношения размеров их сторон и требуемого значения чувствительности и

улучшить метрологические характеристики полупроводниковых датчиков давления для ИИС.

2. Методика стабилизации полупроводникового чувствительного элемента датчиков давления, направленная на уменьшение негативного влияния нарушений режимов диффузии, формирования окисла и металлизации, а также наличия посторонних загрязнений на поверхности и в легирующей примеси на метрологические характеристики датчиков давления.

3. Алгоритм определения рабочих тензорезисторов с минимальным разбросом температурных коэффициентов сопротивления и тензочувствительности и включением в измерительную схему сопротивлений, расположенных вне зоны деформации, позволивший улучшить метрологические характеристики полупроводниковых датчиков давления для ИИС.

4. Методика настройки разбаланса и температурного ухода начального выходного сигнала полупроводниковых датчиков давления для ИИС с улучшенными метрологическими характеристиками.

5. Конструкция чувствительного элемента полупроводниковых датчиков давления с улучшенными метрологическими характеристиками за счет расположения радиальных тензорезисторов на поверхности мембраны в области максимальных деформаций, а вне зоны деформации - гальванически развязанного терморезистора и групп резисторов, обеспечивающая настройку смещения начального выходного сигнала полупроводниковых датчиков давления для ИИС.

Реализация и внедрение результатов исследований. Диссертационная работа выполнялась в рамках государственного контракта № 783-Б045/12 между Роскосмосом и АО «НИИФИ» ОКР «Разработка распределенного измерительного функционального модуля давления на основе микроэлектромеханических систем для встраивания в базовые несущие конструкции изделий ракетно-космической техники и объектов наземной космической инфраструктуры» и контракта №747-15/603-16 между АО «НИИФИ» и АО «УКБП», ОКР «Разработка тензорезисторных преобразователей давления».

Экспериментальные исследования проводились на экспериментальной базе АО «НИИФИ» (г. Пенза).

Результаты проведенных научных исследований использованы АО «НИИФИ» при выполнении НИОКР и в опытном производстве, что подтверждено актом внедрения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на международных, всероссийских и межвузовских научно-практических и научно-технических конференциях, семинарах, симпозиумах, электронных ресурсах: «Датчики и системы» (Пенза, 2013, 2018); «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи, 2014); «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» (Москва, 2016); «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2016); «Надежность и качество» (Пенза, 2018), «Информационные технологии в науке и образовании. Проблемы и перспективы» (Пенза, 2019).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 13 статьях, среди которых 5 - в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК. По теме диссертационной работы получено 6 свидетельств о регистрации топологии измерительной микросхемы, 3 свидетельства о регистрации программы ЭВМ и 1 патент на изобретение.

Личный вклад автора. Основные научные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. Им единолично написана 1 статья в рецензируемом журнале из перечня ВАК РФ. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль формулировке задач, обосновании методов их решения, анализе полученных результатов. Автор является непосредственным исполнителем всех теоретических и экспериментальных исследований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка используемой литературы и трех приложений. Она изложена на 155 страницах, включает 72 рисунка, 10 таблиц.

Список литературы содержит 66 наименований. Приложения к диссертации занимают 18 страниц.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТОК И ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ ИИС ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ РКТ.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ ИИС КА и нахождение критичных элементов, влияющих на ее метрологические характеристики

На настоящий момент существуют различные типы КА, предназначенных для решения научных, народнохозяйственных и других задач в ближнем и дальнем космосе. В зависимости от присутствия экипажа на КА различают пилотируемые и автоматические КА [3, 4].

Автоматический КА свободен от ряда ограничений, связанных с разработкой пилотируемого КА, состав бортовых систем, агрегатов и конструкции автоматического КА проще. Независимо от назначения КА на него действуют одинаковые воздействующие факторы: перегрузки, линейные ускорения, одиночные и многократные удары, вибрации, акустическое воздействие, радиации, вакуума, микрометеоров, а также создания условий функционирования всех его элементов в части поддержания рабочей температуры, давления и радиационного фона [5].

Под понятием КА понимается совокупность функционально связанных систем: энергопитания, управления, ориентации и стабилизации, телеметрического контроля, обеспечения теплового режима, радиотехнические, сбора научной информации, двигательная и ряд других. В зависимости от типа КА отдельные системы могут объединяться и наоборот устанавливаться дополнительные (радиационная и тепловая защита и т. д.).

Рассмотрим системы, требующие измерение давления в процессе работы КА:

- Система ориентации и управления двигателем (СОУД) необходима для ориентации и движения КА в процессе полета и выполнения целевых задач;

- Система электропитания предназначена для питания всех групп

бортового оборудования КА;

- Система управления бортовым комплексом определяет программно-логическое и электросиловое управление бортовыми системами;

- Система бортовых измерений требуется для сбора и передачи на Землю телеметрической информации о функционировании КА через собственные передатчики или бортовой радиотехнический комплекс;

- Система обеспечения теплового режима нужна для обеспечения работоспособности бортовой аппаратуры в части поддержания температуры полезной нагрузки, систем, конструкции и двигательной установки в необходимом для их функционирования диапазоне.

Одним из важнейших элементов является реактивная двигательная установка, входящая в состав СОУД и реализующая управление движением центра масс КА, изменяя скорость его движения.

1.1.1 Анализ системы управления движением и двигательных

установок КА

Одним из важнейших элементов КА, является система ориентации и управления движением, состоящая из большого числа датчиков. Основными задачами данной системы в процессе эксплуатации КА являются управление ориентацией и движением, коррекция орбиты, формирование телеметрической информации параметрах движения и траектории, а также самой системы, управление работой двигателей и других систем [4].

В зависимости от решаемых задач конкретные виды управлений можно классифицировать следующим образом:

а) управление ориентацией в зависимости от типа управления по положению осей ориентации;

б) управление движением центра масс (коррекция межпланетных траекторий, маневрирование в околопланетном пространстве в целях изменения орбиты, дальние маневры сближения с другим КА, маневр посадки

на планету с атмосферой, связанной со сравнительно незначительным изменением скорости, которое, однако, приводит к такому изменению орбиты, что часть ее оказывается лежащей внутри слоя плотной атмосферы);

в) управление сближением двух КА в зоне непосредственной видимости одного КА с другого с использованием соответствующей аппаратуры.

Система ориентации и управления движением представлена на рисунке 1.1.

ИИС - информационно-измерительная система;

ИО - исполнительные органы;

БСА - блоки силовой автоматики;

БЦВС - бортовая цифровая вычислительная система;

КШ - контроллер шины;

ОУ - оконечное устройство (датчики физических величин)

Рисунок 1.1 - Структурная схема СОУД КА

Основным элементом любой СОУД является бортовая цифровая вычислительная машина, состоящая из логических устройств, анализирующих информацию, поступающую с датчиков и других систем КА, и вырабатывающих команды управления движением, соответствующие возникшей ситуации, а также обеспечивающая информационное взаимодействие с другими подсистемами.

Под ИИС подразумевается группа датчиков, позволяющих судить о положении КА в пространстве и о характере его движения, траектории движения, давление, температура, скорость.

Кроме этих элементов в состав входят блоки силовой автоматики (БСА), обеспечивающие коммутацию электропитания и электрическое взаимодействие со смежными системами, имеющими аналоговый вход (выход).

Еще одним элементом СОУД являются исполнительные органы, определяющиеся инерционно-массовыми характеристиками КА и заданными требованиями по динамике и точности стабилизации и позволяющими изменять движение КА в соответствии с командами БЦВС.

Для обеспечения полного управления ориентацией, т. е. управления по трем осям необходимо использование системы управления движением, состоящей из двигателей и системы питания (рисунок 1. 2). При разработке автоматических КА чаще всего используют двигатели, работающие на сжатом газе, а для пилотируемых КА и орбитальных станций применяют двигатели на одно- или двухкомпонентном топливе.

Рисунок 1.2 -Внешний вид системы управления движением

На рисунке 1.3 показана схема системы управления движением, в которой в качестве рабочего тела используется сжатый газ.

1 - баллон со сжатым газом; 2 - заправочно-дренажный клапан;

3 - датчик высокого давления; 4 - электрические клеммы пуско-отсечного клапана; 5 - пуско-отсечной клапан;

6 - клеммы провода электропитания к датчику низкого давления;

7 - фильтр; 8 - предохранительный клапан; 9 - регулятор давления газа; 10 - датчик низкого давления; 11 - трубопровод;

12 - коллектор газа низкого давления; 13 - клеммы подвода электропитания к клапанам микродвигателей; 14 - микродвигатель

Рисунок 1.3 -Схема системы управления движением КА

Принцип работы системы управления движением заключается в следующем:

Предварительно система включается в работу подачей электрической команды на клеммы 4 пуско-отсечного клапана 5, который в период хранения герметично закрывает доступ газа в систему. Газ высокого давления через фильтр 7 поступает к регулятору давления 9. Редуцированный газ низкого давления по трубопроводу 11 поступает к коллектору низкого давления 12, а оттуда подводится к газореактивным микродвигателям 14, установленным в соответствующих каналах стабилизации. При подаче электрической команды на клеммы 13 питания электромагнитного привода клапана включаются в работу двигатели, и газ поступает в сопло. Предохранительный клапан 8

предназначен для исключения аварийной ситуации при временном повышении давления в коллекторе 12. При этом для исключения возмущений организуется безмоментный выход газа из предохранительного клапана 8. Тяга микродвигателей 14 контролируется с помощью датчика низкого давления 10 снятием его с клемм 6 определённого электрического напряжения. Высокое давление газа в баллоне 1 и тем самым герметичность системы контролируются с помощью датчика 3.

К реактивным системам управления предъявляются требования, вытекающие из условий работы и определяющиеся в основном величинами возмущающих сил и моментов, действующих на аппарат; массой аппарата, его моментом инерции, назначением двигателей, а также требуемой повышенной точностью и надежностью управления. Исходя из этого, можно определить направление совершенствование системы и ее составных элементов:

- повышение надёжности в условиях космического вакуума, невесомости, широкого диапазона температур (от высоких до низких);

- повышение точности, быстродействия, экономичности, стабильности параметров;

- повышение стойкости к воздействию линейных и вибрационных нагрузок, действующих на участке выведения космического аппарата на орбиту;

- повышение времени непрерывной работы и назначенного ресурса;

- уменьшение массогабаритных размеров, обеспечение простоты и удобства в эксплуатации.

Основными элементами, обеспечивающими контроль параметров реактивной системы управления, являются датчики высокого давления 3 и датчики низкого давления 10. В связи с этим для совершенствования ИИС необходимо определиться с основные техническими характеристиками датчика, а также с выбором его конструкции.

1.2 Анализ основных технических характеристик, принципов построения и классификации датчиков давления, входящих в ИИС изделий

РКТ

В ряде промышленных стран, в том числе США и России, работают над созданием миниатюрного бортового оборудования КА, включающего ряд высокоточных датчиков, обеспечивающих улучшение технических характеристик и уменьшение массогабаритных размеров существующих бортовых систем изделий РКТ.

При наличии внешних влияющих факторов, таких как температура, на сегодняшний день проводят имитационное моделирование датчиков на этапе проектирования для определения поведения их характеристик. Но при этом на практике, традиционно используют комбинированные модули [6], которые имеют в своем составе чувствительный элемент (ЧЭ) для измерения основной физической величины, а также для измерения внешнего воздействия. Например, используя чувствительность легированного кремния к воздействию температуры и давлению можно создавать датчики, измеряющие давление и температуры, температуру и деформацию и т.п. [7]. Данный подход является наиболее распространенным, однако, требует усложнения технологий изготовления ЧЭ. В связи с требуемыми задачами необходимо разработка именно датчика давления (ДД) с возможностью измерения температуры, как основного влияющего фактора на метрологические характеристики датчика.

Комплексный подход к технологии МЭМС может повысить эффективность разработок за счет моделирования технологических процессов изготовления элементов и узлов, оценки их метрологических характеристик, стоимости, и надежности уже на этапе проектирования. К тому же синтез технологий с практически неограниченными возможностями информационной техники позволит достичь в некоторых случаях более эффективных решений без изменения технологической цепочки изготовления первичных преобразователей, улучшая их метрологические характеристики и расширяя

информативность систем на их основе.

В связи с этим, при разработке и проектировании датчиков давления необходимо определить с составом изделия, требованиями по назначению, внешними воздействующими факторами, основными техническими характеристиками и др. [8]

В связи с тем, что разрабатываемый ДД будет применяться при измерении абсолютного давления и температуры в реактивной системе управления автоматического КА и состоять только из первичного измерительного преобразователя, т.к. его выходной сигнал по каналу обмена информации будет поступать на БЦВС, обеспечивающий обработку и термокомпенсацию чувствительности, определим следующие характеристики датчика:

- диапазон измеряемых давлений от 0 до 0,27 МПа;

- диапазон рабочих температур от минус 50 °С до 80 °С;

- основная приведенная погрешность при 20°С не более ± 0,045 %;

- температурный коэффициент изменения начального выходного сигнала не более 3 10-2 %/°С;

- коэффициент преобразования выходного сигнала не менее 20 мВ/В;

- начальный выходной сигнал ± 5 мВ;

- стабильность метрологических характеристик (начального выходного сигнала);

- минимальные массогабаритные размеры (масса не более 5 г).

Кроме того, необходимо обеспечение преобразования температуры в относительное изменение сопротивления в диапазоне рабочих температур.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шокоров Вадим Александрович, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шокоров В.А., Разработка и применение датчиков давления и температуры на основе МЭМС-технологии для изделий ракетно-космической техники.//Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль. 2017, № 3. - С. 15-24.

2. Шокоров В.А., Васильев В.А., Москалев С.А., Ползунов И.В., Состояние и перспективы создания полупроводниковых МЭМС и датчиков давления на их основе. // Метрология. 2014, № 11 - С. 15-24.

3. Сайт Электронная библиотека (http://www.electrolibrary.info). (Дата обращения 22.10.2015).

4. Бортовые системы управления космическими аппаратами: Учебное пособие / Бровкин А.Г., Бурдыгов Б.Г., Гордийко С.В. и др. Под редакцией А.С. Сырова - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. - 304 с.: ил/

5. Космические аппараты \\Под общей редакцией проф. К.П. Феоктистова - Москва: Военное издательство, 1983 - с.319

6. Баринов И. Н., Федулов А. В., Акимов И. Г., Чистякова Т. Г., Пауткин В. Е., Удалов П. А., Акутина С. М., Мишанин А. Е., Богонин М. Б. // итоговый отчет № 300/97 по теме НИР «Модель» «Исследование новых конструктивно-технологических решений создания кремниевых прецизионных микроструктур для ряда сверхминиатюрных датчиков давления общепромышленного и медицинского применения» (Распоряжение Федерального Агентства по науке и инновациям от 24.09.04 №09.900/02-6).

7. Блинов А.В., Мишанин А.Е., Москалев С.А., Ползунов И.В., Интегральный датчик давления, ускорения и температуры на базе МЭМС-технологий. // Датчики и системы, 2012.

8. Абламейко, С.В. Малые космические аппараты: пособие для студентов радиофизики и компьют. технологий/ С.В. Абламейко, В.А. Саечников, А.А. Спиридонов - Минск: БГУ, 2012. 159 с.

9. Денисенко В., Халявко А., Защита от помех датчиков и соединительных проводов систем промышленной автоматизации. // Электронная

версия журнала «В записную книжку инженера» № 1, 2001.

10. Технические требования к космическому аппарату «Экспресс-АМУ2» URL://http://www.rscc.ru/files.images/tt_amu2.pdf. (Дата обращения: 11.03.2015).

11. Стучебников В.М. Тензорезисторные преобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире» // Измерения, контроль, автоматизация / Н.-т. сборник, 1982, №4 (44). - С.15-26.

12. Баринов И.Н. Результаты исследования высокотемпературных полупроводниковых чувствительных элементов датчиков давления на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» //Журнал «Компоненты и технологии» № 11, 2008. - С. 30-32.

13. Москалев С.А., Юрков Н.К., Ползунов И.В. Современные методы повышения эффективности работы полупроводниковых датчиков давления в условиях воздействия повышенной температуры // Надежность и качество: Тр. Междунар. симпозиума. - Пенза, 2012. Т. 2. - С. 46-47.

14. Гридчин В.А., Любимский В.М. Нелинейность пьезорезистивного эффекта в пленках поликристаллического кремния // ФТП, 38 (2004) 179- 185.

15. Ваганов В. И. Интегральные тензопреобразователи / Энергоатомиздат - Москва, 1983 - 136 с.

16. Сайт фирмы НПК «Технологический центр» (http://www.tcen.ru/). (Дата обращения 14.04.2018).

17. Сайт фирмы ЭОКБ «Сигнал» (http://www.dimes.ru/). (Дата обращения 14.04.2018).

18. Сайт фирмы Endress+Hauser. (https://www.ru.endress.com/ru). (Дата обращения 15.04.2018).

19. Сайт фирмы BDsensors. (http://www.bdsensors.ru/). (Дата обращения 15.04.2018).

20. Сайт фирмы Kobold. (http://www.kobold.com/). (Дата обращения 16.04.2018).

21. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. - М.: Техносфера, 2005. 592 с.

22. Воробьев Д.Л. Высоконадежные промышленные системы датчиков теплоэнергетических параметров с аналоговым сигналом. // Датчики и системы, №11, стр.47-49.

23. Гуртовцев А. Измерение давления в автоматизированных системах. СТА, №4, 2001.

24. Поздняк В. Интеллектуальная революция: вчера, сегодня, завтра. Нефтегаз, с. 63-66.

25. Дмитриенко А.Г., Блинов А.В., Исаков С.А., Козин С.А., Белозубов Е.М. Датчики давления на основе микроэлектромеханических систем и нанотехнологий для ракетной и авиационной техники //Ракетно-космическое приборостроение и информационные технологии. Труды III всероссийской научно-технической конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». (Москва, 1-3 июня 2010 г.) под редакцией Ю.М. Урличича, А.А. Романова- М.: Радиотехника, 2011. - С. 346356.

26. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е Методы и средства минимизации влияния нестационарных температур в МЭМС-структурах тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления // Нано-и микросистемная техника. -2008.№ 3.- С. 28 - 34.

27. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2002, №2, стр. 36 - 39

28. Степанов А., Верзунов Г., Ганзий Д. Защита от помех в спутниковой связи// Электронная версия журнала «Технологии и средства связи» № 6, 2008.

29. Поздняк В. Вопросы проектирования, выбора и эксплуатации датчиков давления для технологических процессов. Электронные компоненты, №9, 2004 с.97-98.

30. Шокоров В.А., Васильев В.А., Москалев С.А., Ползунов И.В., Полупроводниковые микроэлектромеханические системы современных и перспективных датчиков давления. // Нано- и микросистемная техника. 2014, № 11 - С. 37 - 43.

31. Сайт Маркетинговой компании Global Industry Analysts inc. (http://www.strategyr.com/MarketResearch/Pressure Sensors Market Trends.asp) (Дата обращения 10.04.2017).

32. ГОСТ Р 15.011-96. Патентные исследования. Содержание и порядок проведения.

33. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л: Энергоатомиздат. Ленингр. отд.-ние, 1991. - 304с.

34. Рабинович С.Г. Погрешности измерения. - Л. Энергия, 1978. С.262.

35. Красюк Б.А. Полупроводники - германий и кремний / Красюк Б.А., Грибов А.И. - М.: Металлургиздат, 1961 - 266 с.

36. Андреева, Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов / С.Д. Пономарев, Л.Е. Андреева. - М.: Машиностроение, 1980. - 326 с.

37. Minhang Bao, Principles of MEMS Devices, Elsiveir Publishers, Ed. 2005.

38. Hu S. M., Stress related problems in Silicon technology, J. Appl. Phys. 706, 1991, pp. R53-R73.

39. K. Matsuda et al., Nonlinearity of piezoresistance effects in p- and n-type silicon, Sens. and Act. A, 21-23, 1990, pp. 45-48.

40. Осадчий, Е.П. Проектирование датчиков для измерения механических величин»/ Е.П. Осадчий, А.И. Тихонов, В.И. Карпов и др. - М.: Машиностроение, 1979. - 480 с.

41. Готра З.Ю., Ильницкий Л.Я. «Датчики. Справочник»//Львов, Каменяр, 1995. - 312 с.

42. Houri Johari Development of MEMS sensors for measurments of pressure, relative humidity, and temperature // A Thesis Submitted to the faculty of the Worcester Polytechnic Institute in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Mechanical Engineering. April, 2003.

43. Клокова Н.П. Тензорезисторы / Клокова Н.П. - М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

44. Любимский В. М. Особенности передачи деформации от подложки к

резистору в виде мезаструктуры, МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 5, с. 351-358.

45. Шокоров, В.А. Измерительный преобразователь высокой чувствительности / Родионов А.А., Москалев С.А., Шокоров В.А. // ТИМС № 2013630149 от 08.10.2013 г.

46. Шокоров, В.А. Измерительный функциональный преобразователь давления/ Ползунов И.В., Родионов А.А.// ТИМС № 2014630010 от 09.01.2014 г.

47. Шокоров, В.А. Измерительный функциональный преобразователь давления и температуры/ Ползунов И.В., Родионов А.А., Шокоров В.А. // ТИМС № 2014630011 от 09.01.2014г.

48. Шокоров, В.А. Высокотемпературный измерительный преобразователь высоких давлений/ Ползунов И.В., Родионов А.А., Шокоров В.А. // ТИМС № 2014630083 от 14.07.2014г.

49. Шокоров, В.А. Высокотемпературный измерительный преобразователь давления/ Ползунов И.В., Родионов А.А., Шокоров В.А. // ТИМС № 2014630083 от 14.07.2014г.

50. Шокоров, В.А. Измерительный функциональный преобразователь давления 2/ Макаров И.В., Шокоров В.А. // ТИМС № 2017630008 от 10.01.2017 г.

51. Распопов В.Я. Микромеханические приборы.- М:Машиностроение, 2007. - 400 с.

52. Прецизионные сплавы/ под ред. В.В. Молотилова, Москва, «Металлургия», 1978.

53. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иоселевич Г.Б. «Расчет на прочность деталей машин», Справочник, Москва, «Машиностроение», 1979.

54. Гридчин В.А. Физика микросистем. Учебное пособие в 2 частях. Часть 1 / В.А. Гридчин, В.П. Драгунов. - Новосибирск: изд-во НГТУ, 2004. -416 С.

55. Тимошенко С.П. Пластинки и оболочки / С.П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер.- М.: Наука, 1966. - 636 с.

56. Kovacs, G.T.A., 1998, Micromachined Transducers Source Book,New

York, WCB McGraw-Hill

57. Middlelhoek, S. & Audet, S.A., 1989, Silicon Sensors ,San Diego, CA, Academic Press.

58. Москалев С.А. Полупроводниковые микроэлектромеханические системы датчиков давления с улучшенными техническими характеристиками. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2013.

59. ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 1. Основные положения и определения/ М.: Стандартинформ, 2009.

60. Коледов, Л.А. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов по спец. «Конструирование и производство радиоаппаратуры»/ Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.И. и др., - М.: Высшая школа, 1984. 231 с.

61. Сайт Прикладная математика. Справочник математических формул. (http://www.pm298.ru/). (Дата обращения 02.02.2018).

62. Сайт Большая энциклопедия нефти и газа. (http://www.ngpedia.ru/index.html). (Дата обращения 02.09.2018).

63. Федосов, В.В. Надежность систем автоматического управления: Учебное пособие/ В.В. Федосов - Красноярск: Открытое акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», 2011 - 355.

64. Винокуров, Е.Б. Электроника: Учебное пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004, 80 с.

65. Протокол №53/15 предварительных испытаний преобразователя давления тензорезисторного ПДТ.

66. Ермошкин Ю.М., Ю. Н. Житник, А. П. Ладыгин Разработка в АО «ИСС» оборудования для хранения и подачи рабочего тела электрореактивных двигательных подсистем КА/ Решетневские чтения. 2015, С 153-156.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (ОБЯЗАТЕЛЬНОЕ). ПЕРЕЧЕНЬ ПАТЕНТОВ, НАПРАВЛЕННЫХ НА РЕШЕНИЕ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ЗАДАЧ

Таблица А.1 - Тенденции развития изобретательской деятельности в области

тензорезисторных датчиков давления

Наименование ТЭП Перечень изобретений, направленных на улучшение ТЭП Количество охранных документов

Повышение точности JP2002071493, DE19714703, EP2135051, EP2273247, Ш2009293628, Ш2011283802, US2012125114, US2015068315, JP2006084338, JP2006084339, JP2006242757, JP2008082835, JP2008107302, JP2009019973, JP2009075056, JP2011112432, JP2014145623, JP2015114233, KR20130013936, US2005028585, US2006219022, RU2451270, RU2507490, RU2168710, RU2221228, RU2360221, RU2342642, RU2169912, RU2377517, SU1785334, US2011/0126634, Ш2011/0239772, US2015/0185102, US2015/0185102, JP2015206602, US2016/0076960, Ш2016/0084726, RU153629, RU44384, US2015/0260599, EP2131170, RU93029008, US2015308912, SU1785334, RU2080573, US2013/0125659, Ш2016/0041056, JP2015143713, W02016/017290, RU2247342, W02010/083230, JP2015004591, US2014/0260645, US2015/0260599, US2006219022, RU2013150660, RU2086940, RU2084846, US2015/0308912, TW201447251, US2011/048138, JP2009049026, W02015086680, RU2240521, RU2418275, RU2391641, US7216547, TW201009312, US2012118065, RU2392592, US2010/0326199, Ш2015/0114128, JP2002188974, US2015/0204749, US7647833, RU2278447, RU2325623, DE10131688, RU2082127 79

Наименование ТЭП Перечень изобретений, направленных на улучшение ТЭП Количество охранных документов

Повышение надежности СШ02334019, БЕ102009026676, БЕ19714703, ЕР2135051, ЕР2273247, Ш2009293628, Ш2012125114, Ш2015068315, 1Р2005181065, 1Р2010107366,1Р2010091414, 1Р2008111859, 1Р2014170007, Ш2007029657, ЯШ430342, Яи2310176, ЯШ343437, ЯШ525659, ЯШ134408, ЯИ2005121807, ЯШ267757, ЯШ169912, Ш2011/0185818, 1Р2015042993, Ш2004/0194551, Ш2007/0114624, ЯШ100789, Ш2016/0076960, Ш2016/0084726, ЯШ168157, Ш2016/0084726, Ш2008173096, ЯШ362133, ЯИ93041347, ЯШ555190, Ш2015308912, ЯШ284613, СШ03959030, 1Р2015040800, Ш2015/0219513, ЯШ284074, ЯИ2441208, ЯШ097721, ЯИ2106610,Ш2016/0084726, 1Р2015004591, Ш2006219022, Ш2004/0221656, ЯШ082127, 8Ш431470, ЯШ143673, TW201447251, Ш2003074973 53

Уменьшение размеров 1Р2010139382,1Р2014145623, 1Р2014228295, Ш2006219022, Ш7171858, Ш2011/0126634, СШ03604556, Ш2008173096, 1Р2010133755, КЯ20070030106, 1Р2009175078, Ш2015/0260599, ЯШ525659, 1Р2006337378, 1Р9138172, ЕР2131170, Ш2011251497, Ш2009044630, Ш2005103114, Ш2004168519, Ш2003040674, БЕ19542242, СШ01488853, Ш2009013792, ЯШ3029008, Ш2016/0041056, ЯШ097721, Ш2003074973, Ш2009/0114028, Ш20120067130, ЯШ143673, Ш2011/048138 32

Повышение устой- СШ02401715, 1Р2005283587, 17

Наименование ТЭП Перечень изобретений, направленных на улучшение ТЭП Количество охранных документов

чивости к внешним воздействиям JP2006084338, JP2007178133, Ш2002062698, US2012/0048024, W02015/131090, RU2100789, US2015/0260599, RU2525659, US2004168519, RU2362133, Ш6,272,928, US2015/0260599, RU87521, US2008/0054383, US2015/0308912

Расширение функциональных возможностей JP2006084337, RU2304762, US2010/0251825, US2012/0048024, W02010/083230, US6,272,928, W02011/084358, W02008014310, US2011251497, US2003040674, Ш2002/0073783, RU2521869, W02010/042541, W02010/083230 14

Снижение стоимости изготовления EP2189773, JP2006084337, JP2014145623, JP2014159977, JP2015114232, JP2015114233, US7171858, JP9138172, US2014/0260645, US2013/0205908, US2016/0084726, Ш2011/048138, US2009/0114028, US20120067130 14

Повышение чувствительности JP2009049026, RU2430342, RU2558675, RU2271523, RU2316743, JP2002243567, US2005/0166682, Ш2004168519, RU2555190, RU2362236, RU2316743, W02016/017290 12

Улучшение технологичности KR20030091704, KR20150006862, US2004103724, US2004237661, US2010058876, Ш2013264664, W02015050247, RU2227944, RU2284613, RU2080573 10

231

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.

СВИДЕТЕЛЬСТВА О ГОСУДАРСТВЕННОЙ РЕГИСТРАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

8 й

г ®

й

на а

£ •••

г

£ £

£

Я Зс £ ЗК г2 3?

£ г

Ш й гЗ 0 {£

К 8 й 8 8 8

НА II ЗОБРЕТЕНИЕ

№ 2687307

Интегральный преобразователь давления

Патентообладатель: Акционерное ОбЩвСШвО "НауЧНО-исследователъский институт физических измерений" (НУ)

Авторы: Николаев Андреи Валерьевич (7ВД» Ползунов Иван Владимирович (114), Родионов Александр Александрович (К и), Ш о коров Вадим Александрович (ЯУ)

Заявка X? 2018124170

Приоритет изобретения 02 мюля 2018 г. Да 1а юсударст венной регистрации в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 13 мая 2019 г. Срок действия исключительного права на изобретение истекает 02 июли 2038 I.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

I ^Л^Сж-

Г.П. 1/влиев

ПРИЛОЖЕНИЕ В. МАТЕРИАЛЫ ПО ВНЕДРЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

УТВЕРЖДАЮ Пензенского ppcjpefjHoro университета „А. Д. Гуля ков октября 2020 г.

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Шокорова Вадима Александровича «11олупроводннковые датчики давления для информационно-измерительных систем»

Настоящим подтверждается, что материалы диссертационной работы Шокорова Вадима Александровича «Полупроводниковые датчики давления для информационно-измерительных систем» в настоящее время используются в учебном процессе кафедры «Нано- и микроэлектроника» при подготовке студентов по направлениям 11.03.04 «Электроника и наноэлектроннка» (профиль «Микроэлектроника и твердотельная электроника»), 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника» (профиль «Нанотехнология и электронные компоненты микросистемной техники»), 11.04.04 «Электроника п наноэлектроннка» (магистерская программа «Нано- и микроэлектроника»).

Результаты работы использованы в проведении занятий rio проектированию нано- и микроструктур (лекции, курсовое проектирование, лабораторный практикум) при изучении дисциплин «Проектирование электронной компонентной базы», «Автоматизация проектирования нано- и микроструктур», «Расчет и проектирование тонкопленочных структур», «Технология микроэлектронных устройств». «Датчики в нано- и

микроэлектронном исполнении», «Современные достижения в области разработки НЭМС и МЭМС» и др.

В лабораторном практикуме результаты диссертационных исследований использовались при определении метрологических характеристик полупроводниковых датчиков давления, направленных на уменьшение негативного влияния нарушений технологических режимов диффузии, посторонних загрязнений на поверхности и в легирующей примеси, формирования окисла и металлизации.

Результаты диссертационных исследований использовались при создании лабораторных стендов для изучения М'ЭМС-датчиков систем контроля и управления.

Заведующий кафедрой НиМЭ д.т.н., профессор

И.А. Аверин

Ж.! х

/ «Нгучие. . 1

••сслс'зирашит

ИНСГигут I

♦«та»«»«« I

УТВЕРЖДАЮ ¡*«НИИФ1?»

п

д&уьроп! директора по С.А. Москалев 2020 г.

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Шокорова В. А.

представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16- Информационно-измерительные и управляющие системы

Настоящим актом удостоверяем, что результаты диссертационной работы вед\щего инженера конструктора центра 2 Шокорова В.А. внедрены на предприятии АО «НИИФИ».

1. Математическая модель полупроводниковиго чувствительного элемента датчиков давления с квадратной мембраной, обеспечила улучшение метрологических характеристик полупроводниковых датчиков давления с учетом требуемого значения чувствительности и применения одного типа тензорезисторов.

2. Использование методики определения метрологических <арахтерис гик полупроводниковых датчиков давления для ИИС. направленной на уменьшение негативного влияния нарушений технологических режимов диффузии, формирования окисла и металлизации, посторонних загрязнений на поверхности и в легирующем примеси, обеспечило уменьшение технологического брака за счет их разбраковки нл ранних стадиях изготовления..

3. Разработанный автором алгоритм настройки чувствительного элемент;» полупроводниковых датчиков давления, обеспечивающий определен!те разбаланса I температурного ухода начального выходного сигнала путем выбора рабе пи тензорезисторов с минимальным разбросом температурных к пффициентов сопротивления и тензочувствительности и включением в измерьте н.ную схем/ сопротивлений, расположенных вне зоны деформации позволил уменьшить трудоемкость настройки за счет исключения повторных температурных испытани; в процессе настройки.

4. Методика настройки полупроводникового датчика давления осуществляющей и счет применения дополнительно сформированных тензорезисторов ч 'альваничеекч развязанных групп резисторов обеспечила уменьшение погрешности от температурь 3 1 счет на начальный выходной направленная на минимизацию разбаланса I температур! ого ухода начального выходного сигнала..

5. Конструкция чувствительного элемента полупроводниковых дагч! ков давления, отличающаяся наличием на поверхности мембраны в области максимальных деформаций восьми радиальных тензорезисторов. а вне зоны деформации галььаничеж т развязанных терморезистора и групп резисторов, необходимых для нас, ройки смешслил начального выходного сигната полупроводниковых датчиков давлен»'1 обеспечила повышение мефологических характеристик по сравнению с датчикам* аналогами,

- - V ' „„ п Главный конструктор направления - ') И В. Ползунов

начальник цен фа 2 Г