Разработка беспроводного энергонезависимого газоанализатора для систем промышленной безопасности и экологического мониторинга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Суханов Александр Владимирович

• Суханов Александр Владимирович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Суханов Александр Владимирович

Введение

1 Критический анализ существующих технических решений для контроля взрывоопасных и токсичных газов

1.1 Актуальность создания нового прибора для контроля утечек взрывоопасных и токсичных газов

1.2 Портативные и стационарные газоанализаторы

1.3 Электрохимические сенсоры для контроля токсичных газов

1.4 Термокаталитические сенсоры для определения взрывоопасности смеси горючих газов

1.5 Полупроводниковые газовые сенсоры

1.6 Оптические газовые сенсоры

1.7 Обработка данных с аналоговых сенсоров

1.8 Беспроводные энергонезависимые газоанализаторы

1.9 Выводы к главе и постановка задач

2 Конструктивно-технологические принципы создания беспроводного энергонезависимого газоанализатора

2.1 Определение основных требований к устройству

2.2 Структура беспроводного энергонезависимого газоанализатора

2.3 Универсальная цифровая платформа для интеграции газовых сенсоров различного типа

2.4 Специализированный источник питания с альтернативными источниками энергии

2.5 Цифровой газовый датчик

2.6 Выносной цифровой модуль газовых датчиков

2.7 Программное обеспечение беспроводного энергонезависимого газоанализатора

2.8 Выводы

3 Разработка микросборок силовых ключей и приемопередатчика для беспроводного энергонезависимого газоанализатора

3.1 Технология трехмерной объемной интеграции

3.2 Разработка микросборки силовых ключей

3.3 Разработка микросборки приемопередатчика

3.4 Выводы

4 Разработка математической модели энергопотребления беспроводного энергонезависимого газоанализатора для оценки времени его автономной работы

4.1 Введение

4.2 Модель беспроводной системы мониторинга утечек токсичных и взрывоопасных газов

4.3 Модель энергопотребления беспроводного энергонезависимого газоанализатора с функциями конечного устройства

4.4 Модель энергопотребления беспроводного энергонезависимого газоанализатора с функциями маршрутизатора сети

4.5 Экспериментальные исследования энергопотребления беспроводного энергонезависимого газоанализатора

4.6 Выводы

5 Методы увеличения продолжительности автономной работы беспроводного энергонезависимого газоанализатора

5.1 Программно-аппаратные методы

5.2 Использование альтернативных источников энергии

5.3 Использование солнечных батарей и специализированных контроллеров

5.4 Использование радиочастотных энергомодулей

5.5 Использование пьезоэлектрических энергомодулей

5.6 Выводы

Заключение

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Полученные свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б^Акт внедрения результатов диссертационной работы

Введение

Актуальность темы исследования

т~ч ____и __и

В современном мире задача предупреждения аварийных ситуаций, связанных с утечкой горючих и токсичных газов в атмосферу, является одной из приоритетных. На крупных производственных объектах химической промышленности используются проводные автоматизированные системы контроля токсичных и взрывоопасных газов. В технологических процессах, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой, получением, хранением и применением горючих и токсичных газов, всегда имеется высокая вероятность образования взрывоопасных и токсичных смесей. Высокая концентрация горючих газов может привести к воспламенению или взрыву, а также может быть причиной тяжёлого отравления персонала. В России в настоящее время причинами взрывов и отравлений наиболее часто является грубое нарушение правил безопасной эксплуатации оборудования, отсутствие контроля над технологическими процессами. Таким образом, задача автоматизированного контроля газовой среды на объектах промышленности является очень актуальной.

Поэтому стоит задача разработки системы мониторинга, которая имела бы лучшие характеристики по сравнению с существующими функциональными аналогами. Для её решения необходимо постоянно совершенствовать существующие газоанализаторы - повышать их надежность, точность измерения концентраций, а также универсальность и легкость в эксплуатации. Актуальной задачей является разработка комплексных газоанализаторов, удовлетворяющих современным требованиям по быстродействию и точности, стабильно функционирующих в условиях возмущающих факторов внешней среды.

Для решения задач автоматизации контроля газовой среды на объектах промышленности необходимо разработать универсальную систему мониторинга атмосферы. Автоматизированная система контроля природной среды может быть создана на основе беспроводного энергонезависимого газоанализатора (БЭГ), обладающего лучшими техническими и эксплуатационными характеристиками. Современное развитие электроники позволяет создать более компактные, многофункциональные и надежные газоанализаторы, с использованием передовых

технологий электронной компонентной базы (ЭКБ), таких как высокоинтегрированные СБИС, трехмерные микросборки и т.д. Разработка и совершенствование БЭГ позволит удаленно проводить контроль природной среды для обнаружения в режиме реального времени утечки горючих и токсичных газов.

Степень разработанности

На современных промышленных предприятиях устанавливают автоматизированные системы обнаружения токсичных и горючих газов. Используются специализированные системы, которые позволяют определить утечки с целью обеспечения безопасности персонала. В состав таких систем мониторинга входят стационарные многоканальные газоанализаторы, исполнительные устройства, устройства оповещения и т.д. Такие системы позволяют определить утечку опасного газа и принять защитные меры для устранения аварийной ситуации.

Однако, при установке стационарных газоанализаторов в труднодоступных местах необходимо прокладывать кабели для их электропитания и для передачи данных, что в некоторых случаях является трудно осуществимым или невозможным. Портативные газоанализаторы отличаются своей мобильностью, небольшими габаритными размерами, но использовать их во время аварийных ситуаций не рекомендуется из-за опасности для персонала.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка конструктивно -технологических решений создания беспроводных энергонезависимых газоанализаторов с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести критический анализ существующих технических решений для контроля взрывоопасных и токсичных газов c целью создания устройства с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

2. Разработать конструктивно-технологические решения БЭГ, обеспечивающие интеграцию газовых сенсоров различного типа и имеющие лучшие характеристики по сравнению с существующими аналогами.

3. Разработать конструктивно-технологические решения, обеспечивающие создание компактного БЭГ с применением трехмерных микросборок силовых ключей и приемопередающего модуля.

4. Разработать алгоритм обработки сигнала газовых сенсоров различного

типа.

5. Разработать оптимальный энергоэффективный алгоритм функционирования БЭГ при работе в составе беспроводной сенсорной сети.

6. Разработать способ уменьшения энергопотребления БЭГ за счет программно-аппаратных решений.

7. Разработать оригинальную математическую модель энергопотребления БЭГ для расчета времени автономной работы устройства в составе сенсорной сети.

8. Провести лабораторные исследования БЭГ для проверки правильности разработанной математической модели.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Предложены конструктивно-технологические решения по созданию БЭГ, обеспечивающие интеграцию газовых сенсоров различного типа, беспроводную передачу данных в сенсорных сетях, автономную работу от альтернативных источников энергии, возможность дистанционного управления силовыми исполнительными устройствами: запорной арматурой, насосами, газовыми клапанами и т.д.

2. Разработан технологический процесс трехмерной объемной интеграции, позволяющий создавать функционально законченные миниатюрные электронные модули.

3. Предложен оригинальный алгоритм работы БЭГ, обеспечивающий работу устройства в беспроводной сенсорной сети стандарта IEEE 802.15.4 и позволяющий продлить время автономной работы устройства более чем в 2 раза за счет уменьшения энергопотребления электронных частей устройства.

4. Разработана оригинальная математическая модель, описывающая энергопотребление БЭГ с функциями конечного устройства и маршрутизатора, которая позволяет оценивать время его автономной работы в составе беспроводной сенсорной сети, работающей по стандарту IEEE

Теоретическая и практическая значимость работы

Разработанная оригинальная математическая модель энергопотребления БЭГ может использоваться для оценки времени автономной работы различных устройств в составе сенсорной сети. Предложенный энергоэффективный алгоритм функционирования БЭГ может быть использован для увеличения времени автономной работы устройств в беспроводной сети.

Созданная на основе разработанного БЭГ автоматическая система мониторинга позволяет контролировать утечки опасных газов в непрерывном режиме. Результаты диссертации могут быть использованы в различных отраслях производства: на предприятиях газовой и нефтяной промышленности, химической отрасли, энергетики, горнодобывающей и угольной промышленности, металлургии и ЖКХ.

Разработанные БЭГ могут работать в системах промышленной безопасности и экологического мониторинга. Программное обеспечение управляющего микроконтроллера БЭГ позволяет увеличить время автономной работы устройства. Разработанная серия цифровых газовых датчиков (ЦГД) может использоваться в БЭГ и позволяет значительно упростить процедуру поверки. Встроенное программное обеспечение микроконтроллера ЦГД позволяет интегрировать различные газовые сенсоры в БЭГ. Предложены конструктивно-технологические решения создания трехмерных микросборок силовых ключей и приемопередатчика, позволяющие создавать функционально законченные миниатюрные модули.

Разработанные в диссертационной работе конструктивно-технологические решения использованы при выполнении НИОКР в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы», по теме «Проведение исследований по разработке перспективной технологии создания миниатюрных, высокоинтегрированных 3D микросборок интеллектуальных силовых ключей для транспортных и космических систем», соглашение о предоставлении субсидии от 03.10.2016 г. № 14.577.21.0225 (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57716X0225). Результаты работы внедрены в НПК «Технологический Центр». Результаты диссертационной работы использованы в

учебном процессе НИУ МИЭТ. Акты внедрения и использования представлены в приложении к диссертации.

На защиту выносятся:

1. Конструктивно-технологическое решение по созданию БЭГ и выносного многоканального модуля с возможностью удаленного контроля токсичных и горючих газов для создания автоматизированных систем контроля среды.

2. Принципы создания и технология компактного БЭГ за счет применения технологического процесса трехмерной объемной интеграции. Технология создания трехмерных микросборок силовых ключей и приемопередатчика.

3. Алгоритм работы БЭГ, обеспечивающий его долговременную автономную эксплуатацию в беспроводной сенсорной сети за счет оптимизации процесса энергопотребления.

4. Результаты исследования времени автономной работы БЭГ с использованием созданной математической модели, описывающей энергопотребление устройства в составе сенсорной сети стандарта IEEE

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка беспроводного энергонезависимого газоанализатора для систем промышленной безопасности и экологического мониторинга»

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика - 2014, 6-я Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2013», Инженерные и научные приложения на базе National Instruments - 2014, 22-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2015», 7-я Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2014», 5-ая международная научно-практическая конференция «Технологии микро и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике», 23-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2016», XV международная конференция компании National Instruments "NIDays 2016", Международная научно-практическая конференция «Новые технологии и проблемы технических наук», 10-я Всероссийская научно-практическая конференция

«Актуальные проблемы информатизации в науке и образовании - 2017», Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения «INTERMATIC-2017», 25-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2018».

Публикации по работе

По теме диссертации опубликовано 34 печатные работы, в том числе 6 научных статей в рецензируемых изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК, 8 статей в изданиях, входящих в систему цитирования Web of Science и Scopus. По результатам работы получено 5 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ в Роспатенте.

Личный вклад автора

Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы, разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.

Методология и методы исследования

В процессе решения поставленных задач использовались принципы системного подхода и объектно-ориентированного программирования, теории графов, измерений и автоматического управления, методы линейного программирования, а также численные и натурные экспериментальные методы исследования.

Степень достоверности результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается экспериментальными исследованиями с применением современных аттестованных средств, в соответствии с требованиями стандартов в области метрологии. Результаты работы прошли апробацию в виде публикаций в журналах, рекомендованных ВАК, а также докладывались на отечественных и международных конференциях, где получили высокую оценку.

1 Критический анализ существующих технических решений для контроля

взрывоопасных и токсичных газов

1.1 Актуальность создания нового прибора для контроля утечек взрывоопасных и

токсичных газов

Задача предупреждения и предотвращения опасных ситуаций, связанных с наличием горючих и токсичных газов в атмосфере, является актуальной и своевременной [1]. В настоящее время на крупных производственных объектах химической промышленности используются проводные автоматизированные системы контроля токсичных и взрывоопасных газов [2]. В технологических процессах, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой, получением, хранением и применением горючих и токсичных газов, всегда имеется высокая вероятность образования взрывоопасных и токсичных смесей [3]. Высокая концентрация горючих газов может привести к воспламенению или взрыву. Высокая концентрация токсичного газа выше установленной предельно допустимой концентрации (ПДК) в производственных помещениях может быть причиной тяжёлого отравления персонала. В России в настоящее время причинами взрывов и отравлений наиболее часто является грубое нарушение правил безопасной эксплуатации оборудования, отсутствие контроля над технологическими процессами. Таким образом, задача автоматизированного контроля газовой среды на объектах промышленности является очень актуальной. Актуальность, в том числе подтверждается федеральным законом №116 о промышленной безопасности опасных производственных объектов.

На западных современных промышленных предприятиях устанавливают автоматизированные системы обнаружения токсичных и взрывоопасных газов. На объектах промышленности, где применяются токсичные и горючие газы, применяются специализированные системы, которые позволяют находить утечки с целью обеспечения безопасности персонала [4]. В состав таких систем мониторинга входят стационарные многоканальные газоанализаторы, исполнительные устройства, устройства оповещения. Такие системы позволяют вовремя определить утечку опасного газа и принять защитные меры для устранения аварийной ситуации.

Задача разработки системы мониторинга, которая имела бы лучшие характеристики по сравнению с существующими прототипами, является очень актуальной. Для её решения, необходимо постоянно усовершенствовать существующие газоанализаторы - повышать их надежность, точность измерения концентраций, а также универсальность и легкость в эксплуатации. В результате, стоит задача разработки комплексных газоанализаторов, удовлетворяющих современным требованиям по быстродействию и точности, стабильно функционирующих в условиях возмущающих факторов внешней среды.

Для того, чтобы системы контроля загазованности имели максимальную эффективность при их проектировании, необходимо учитывать специфику конкретного технологического процесса данной отрасли производства. В настоящее время универсального технического решения по построению систем безопасности для разных отраслей промышленности не существует — каждый случай уникален и требует индивидуального подхода с точки зрения архитектуры, выбора числа точек контроля загазованности и перечня детектируемых газов.

Таким образом, для решения задачи автоматизации контроля газовой среды на объектах промышленности необходимо разработать универсальную автоматизированную систему мониторинга атмосферы.

В настоящее время на объектах промышленности используют устаревшие проводные стационарные устройства утечек опасных газов, а также широко применяется переносные газоанализаторы [5]. Однако, использование таких приборов невозможно без постоянного питания стационарных устройств, либо постоянного присутствия специалистов с портативными газоанализаторами.

Наиболее эффективное осуществление мониторинга газового состава окружающей атмосферы может быть осуществлено путём развертывания беспроводных сенсорных сетей, охватывающих большие территории и обеспечивающих непрерывный контроль наличия горючих, токсичных и взрывоопасных газов. Проводные стационарные устройства, применяемые в настоящее время, могут оказаться непрактичными в некоторых задачах, когда система мониторинга состоит из сотен газоанализаторов. Причина заключается в том, что невозможно проводить кабельные линии в таких случаях, с учетом существующих физических обстоятельств или

огромного количества времени необходимого для развертывания проводных датчиков. Необходимо отметить, что при отсутствии питания от кабельных линий, время работы беспроводных газовых датчиков ограничивается емкостью батарей. Эта проблема усложняется, когда осуществляется мониторинг горючих газов, поскольку датчики указанного типа потребляют значительное количество энергии. Процедура замены батарей в беспроводных сенсорных сетях, содержащих огромное количество устройств, отнимает массу времени, из-за этого на первый план в таких устройствах выходит решение проблемы увеличения времени работы от аккумуляторной батареи с использованием различным способов.

В настоящее время портативные и стационарные газоанализаторы применяются во многих отраслях промышленности. Рассмотрим объекты промышленности, где применяются существующие устаревшие газоанализаторы, но требуются усовершенствованные автоматизированные системы контроля утечек опасных газов.

В нефтегазовой промышленности типовые объекты [2], требующие контроля загазованности: разведочные буровые установки, эксплуатационные платформы, наземные нефте- и газохранилища, нефтеперерабатывающие заводы. На всех этих объектах требуется контролировать: углеводородные газы и токсичный сероводород, угарный газ.

На предприятиях химической промышленности существуют типовые объекты, требующие контроля загазованности [2]: хранилища сырья и готовой продукции, производственные зоны, лаборатории, насосные станции, компрессорные станции, зоны погрузки/разгрузки сырья и готовой продукции. На всех этих объектах требуются контролировать: углеводороды, сероводород, фтороводород, аммиак, дефицит кислорода и другие газы.

Также можно выделить другие типовые объекты, требующие контроля загазованности: котельные, подземные и автомобильные тоннели, подземные и закрытые автостоянки, подходные туннели. Контролируемые газы: метан, сжиженный

1 и и и и

нефтяной газ, сжиженный природный газ, пары бензина, угарный газ, диоксид азота.

1.2 Портативные и стационарные газоанализаторы

На промышленных объектах для контроля опасных газов в основном применяются портативные и стационарные газоанализаторы.

Портативные газоанализаторы имеют небольшие массогабаритные показатели, что позволяет их применять практически на любом рабочем месте. Они, как правило, имеют цифровую индикацию результатов измерения, а также светозвуковую сигнализацию о превышении порогов опасных концентраций газов. Основным и важным назначением переносных газоанализаторов для контроля параметров воздуха рабочей зоны принято считать обследование замкнутого пространства и подземных объектов на предмет дефицита кислорода, наличия токсичных веществ и горючих газов, например, при оформлении допуска рабочих для осуществления работ. Для контроля опасных факторов непосредственно в самом месте нахождения человека используются индивидуальные (персональные) приборы, необходимые для рабочего персонала при выполнении различных работ на потенциально опасных территориях или в помещениях.

По количеству измеряемых компонентов портативные и переносные газоанализаторы классифицируются на однокомпонентные и многокомпонентные.

Однокомпонентные газоанализаторы - это, как правило, простые приборы, которые комплектуются одним датчиком или сенсором и рассчитаны для измерений концентрации только одного вещества. Газоанализаторы на один компонент могут иметь портативное, переносное либо стационарное исполнение конструкции.

Многокомпонентные газоанализаторы применяются для измерения и контроля одновременно нескольких разных веществ. В таких многоканальных анализаторах обычно используются различные газовые сенсоры - электрохимические, термокаталитические, полупроводниковые, редко оптические и др. В зависимости от количества и типа установленных чувствительных элементов многокомпонентный газоанализатор способен индицировать на экране цифрового дисплея свои показания от 1 до 6 газов одновременно. На рисунке 1.1 показана конструкция портативного газоанализатора [6] Altair 2X. Типовая структура портативных газоанализаторов представлена на рисунке 1.2.

1 2 1

Рисунок 1.1 - Конструкция газоанализатора Altair 2X. 1 - сигнальный светодиод (красный); 2 - корпус; 3 - крышка датчика; 4 - светодиод безопасности (зелёный); 5 - кнопка управления; 6 - дисплей с подсветкой; 7 - контролируемый газ; 8 - передатчик звуковой

сигнализации

Рисунок 1.2 - Структура портативного газоанализатора

Современные многоканальные портативные газоанализаторы состоят из: управляющего микроконтроллера, блока питания с элементами питания, дисплея или светодиодов, блока звуковой сигнализации, блока ввода данных пользователем

(клавиатуры, кнопки), газовых чувствительных элементов и аналоговых блоков обработки.

На рисунке 1.3 представлен стационарный многоканальный газоанализатор ФСТ-03В [7]. Такой прибор предназначен для непрерывного автоматического измерения объемной доли кислорода, метана, пропана, массовой концентрации монооксида углерода, хлора и аммиака в воздушной атмосфере жилых, административных, производственных зданий, сооружений и наружных установок и выдачи сигнализации о превышении установленных значений концентраций контролируемых газов. Конструкция стационарного газоанализатора отличается от портативного в первую очередь источником питания, а также наличием цифровых интерфейсов для внешних выносных газовых модулей, возможностью работать с исполнительными устройствами ( сиренами, газовыми электромагнитными клапанами) и .т.д.

Рисунок 1.3 - Многоканальный стационарный газоанализатор ФСТ-03В

1.3 Электрохимические сенсоры для контроля токсичных газов

В настоящее время для определения концентрации токсичных газов широко используются электрохимические газовые сенсоры [8]. Существует большое

количество различных электрохимических датчиков, но большинство из них имеет одинаковую конструкцию (рисунок 1.4) токоизмерительных ячеек, в которую входят: электролит (проводник ионов), фильтр, полупроницаемая мембрана, рабочий, вспомогательный и сравнительный электроды.

Рисунок 1.4 - Структура электрохимического газового сенсора. И - измерительный (рабочий) электрод, В - вспомогательный электрод, С - сравнительный электрод, ГК -газовая камера, ЭК - камера с электролитом, Д - диафрагма и фильтр, М - мембрана

измерительного электрода, П - потенциостат.

Фильтр и полупроницаемая мембрана конструктивно оформляют газовую камеру. В электрохимическом датчике детектируемый газ поступает на рабочий электрод через капиллярный диффузионный барьер и фильтр. На поверхности рабочего электрода происходит электрохимическая реакция окисления или восстановления. В ионном проводнике возникает движение электронов, и на вспомогательном (противоположном) электроде возникает химическая реакция. На вспомогательном электроде протекает противоположная реакция, чем та, которая протекает на рабочем электроде. В результате электрохимической реакции элемент создает разность потенциалов (ЭДС), являющуюся откликом датчика. Посредством измерения тока между двумя электродами определяется наличие газа.

Капиллярный диффузионный барьер используется для ограничения количество газа, контактирующего с рабочим электродом. Ограничивать количество детектируемого газа требуется для поддержания амперометрического действия электрохимической ячейки.

Во время детектирования газа на электроде сравнения поддерживается постоянное напряжение. Электролит, потенциал измерительного электрода, катализатор измерительного электрода и материал фильтрующего вещества выбираются исходя из детектируемого газа.

К достоинствам электрохимических газовых сенсоров можно отнести практически линейный выходной сигнал, высокую чувствительность, селективность и низкое энергопотребление.

Большинство электрохимических сенсоров используют только для определения концентрации токсичных газов, способных восстанавливаться или окисляться на рабочем электроде. В качестве рабочих электродов часто служат инертные электроды из платины либо свинца. Электрохимические газовые сенсоры могут быть с твердым или жидким электродом. В качестве наиболее используемых жидких электролитов используют хлорид калия, серную кислоту. В качестве наиболее используемых твердых электролитов используют диоксид циркония и оксид алюминия. Электрохимический газовый сенсор с твердым электролитом требует дополнительную энергию нагревателя, в отличия от сенсора с жидким электролитом.

На рисунке 1.5 изображена конструкция электрохимического датчика TGS4160 компании FIGARO с твёрдым электролитом [9]. Технические характеристики наиболее популярных электрохимических датчиков представлены в таблице 1.1.

В технической документации на электрохимические сенсоры время отклика сенсора обозначается как Т90. Т90 - это 90% времени потраченного для определения концентрации детектируемого газа Cppm.

Для уменьшения перекрестной чувствительности электрохимического газового сенсора используются специализированные фильтры, которые поглощают и химически реагируют с молекулами определенных посторонних газов. Большинство электрохимических датчиков с жидкими электролитами не содержит нагревательных элементов.

Таблица 1.1 - Основные характеристики электрохимических датчиков

Датчики МЕ2-СО (Ш1шеп) [9] МЕ3-ЫН3 (Ш1шеп) [9] ТС8-5141 (Б1вагс) [9] МЕ3-802 (Ш1шеп) [9]

Детектируемый газ СО ОД СО 802

Диапазон чувствительности, ррт 0-1000 0-50 0-5000 0-20

Чувствительность 0.023±0.008 мкА/ррт (0.10±0.05) мкА/ррт 1.2-3.2 нА/ррт 0.55±0.15 мкА/ррт

Время отклика <50 с <90 с <60 с <30 с

Диапазон рабочей температуры -20°С до +50°С -20°С до +50°С -20°С до +60°С -20°С до +50°С

Электрод чувствительного

Рисунок 1.5 - Конструкция электрохимического датчика TGS4160 с твердым

электролитом

1.4 Термокаталитические сенсоры для определения взрывоопасности смеси

горючих газов

Термокаталитические сенсоры используют обычно для определения наличия и концентрации взрывоопасных газов, таких как метан, пропан, изобутан и т.д.

Принцип действия термокаталитических газочувствительных элементов базируется на измерении количества теплоты, выделяемой при каталитическом

окислении горючих газов на поверхности катализатора [10]. Поскольку для активизации каталитической реакции требуется относительно высокая температура (400-500 °С), катализатор наносят на нагреватель, обычно представляющий собой спираль из тонкой (диаметр 20-50 мкм) платиновой проволоки. В качестве носителя катализатора используют мелкодисперсный оксид алюминия с нанесенными на него металлами платиновой группы. Теплота химической реакции измеряется по изменению температуры платинового нагревателя.

Стабильность газочувствительных сенсоров это одна из самых проблемных характеристик. Сенсоры, в отличие от микросхем, не загерметизированы и находятся постоянно в контакте с высоко агрессивными веществами, поэтому в технологии изготовления используются только высокостабильные материалы: благородные металлы для нагревателя платина и золото.

Термокаталитические сенсоры используются для измерения как низких так и высоких концентрации горючих газов. Выделяющееся при окислении горючего тепло разогревает чувствительный элемент, что приводит к изменению сопротивления. Для измерения концентраций горючего газа в конструкции датчика присутствует два чувствительных элемента - рабочий (с катализатором) и сравнительный (без катализатора). Чувствительные элементы внутри корпуса включают в одну ветвь измерительного моста, во вторую ветвь включают два постоянных резистора. На рисунке 1.6 представлена конструкция термокаталитического сенсора TGS-6810 компании FIGARO [11].

Рисунок 1.6 - Конструкция термокаталитического сенсора TGS-6810

Аналоговое напряжение, которое падают на измерительный мост, составляет 3В, при этом средний ток нагревателя 175мА, потребляемая мощность нагревателя 525мВт. Характеристики термокаталитического сенсора Т08-6810 представлены на рисунке 1.7. К преимуществам термокаталитических сенсоров можно отнести практически

и и и /— Т /»

линеиныи выходной сигнал, небольшие размеры. К недостаткам можно отнести высокое энергопотребление и недолговечность. Термокаталитические сенсоры на метан, пропан, углеводороды, спирт и водород обладают определенно взаимной перекрестной чувствительностью.

В таблице 1.2 представлены характеристики наиболее популярных термокаталитических датчиков.

50

т

¡5

40

30

20

10

Изобуп

Метан

/у Воздух

50

40

30

1 20 10

-10

: --

:

- Метан

трг-

: Из обутан Воздух

2000 4000 6000 8000 Концентрация, ррт

10000

-10

10 20 30

Температура, °С

40

50

Рисунок 1.7 - Характеристики термокаталитического сенсора TGS-6810

Для портативных газоанализаторов часто используют импульсный режим работы с термокаталитическим сенсором, который позволяет определять концентрацию горючего газа как правило меньше чем за 10 секунд. Импульсный режим нагрева легко реализуется и использованием МОП транзисторов с низким сопротивлением канала.

Рабочий ток потребления датчика наиболее популярных термокаталитических моделей составляет 100-300 мА.

Таблица 1.2 - Основные характеристики термокаталитических датчиков

Модель TGS6810 ^го) [9] MC105 ^^П) [9] MC112 (Winsen) [9] MC115 ^^п) [9] MC203 (Winsen) [9]

Детектируемый газ Метан, пропан и другие горючие газы

Диапазон чувствительности 0-100%

Чувствительность 5-7 мВ/ 1000 ppm 20-40 мВ / 1000ppm 20-40 мВ / 1000ppm 25-50мВ / 1000ppm 15-40 мВ / 1000ppm

Время отклика, меньше, с 10

Время восстановления , меньше, с 30

Рабочий ток, мА 175±10 150±10 110±10 105±10 110±10

Рабочее напряжение , В 3±0,05 2,5±0,1 3±0,1 3 ±0,1 3±0,1

1.5 Полупроводниковые газовые сенсоры

В настоящее время для определения концентрации взрывоопасных газов широко используются полупроводниковые газовые сенсоры. Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров основан на изменении электропроводности полупроводниковой пленки вследствие адсорбции измеряемого газа на её поверхности [12].

Принцип действия металлооксидных сенсоров основан на том, что обратимая хемосорбция различных газов на полупроводниковой поверхности чувствительного слоя сопровождается обратимым изменением проводимости. С целью ускорения процессов хемосорбции детектируемого газа и уменьшения времени отклика сенсора (вплоть до нескольких секунд), газочувствительный металлооксидный элемент разогревают до температуры 400-500 °С и эксплуатируют в термостабильном режиме непрерывно.

В результате химической реакции изменяется сопротивление чувствительного сенсора. Изменение сопротивления - это и есть выходная характеристика датчика,

которая является практически линейной. На рисунке 1.8 представлена структура металло-оксидного полупроводникового датчика при ионизации кислорода.

Рисунок 1.8 -

Металло-оксидный полупроводниковый датчик при ионизации кислорода

Существенным недостатком сенсорных материалов на основе полупроводниковых оксидов металлов является их сравнительно низкая селективность, обусловленная наличием на его поверхности широкого спектра адсорбционных центров.

Газочувствительные элементы металлооксидных сенсоров встраиваются во взрывонепроницаемые оболочки различных типов, однако общим элементом для всех является проницаемый для газа фильтроэлемент, изготавливаемый из различных материалов-огнепреградителей: проволочных сеток, керамических и металлокерамических материалов. Чаще всего в качестве фильтрующего материала используется активированный древесный уголь в виде гранулированной насыпки или углеродной ткани. Полупроводниковые газовые чувствительные сенсоры на основе оксидов металлов изготавливаются, как правило, по толстопленочной технологии. Чувствительный слой и нагреватель наносятся методом трафаретной печати, либо нагреватель изготавливается с применением магнетронного напыления, а

и и -| xj Т/*

чувствительный слой наносится поверх него трафаретной печатью. Кристаллы сенсоров монтируются в корпуса двумя способами: методом навесного монтажа и по планарной схеме. Например, сенсор TGS 2610 фирмы Figaro снабжен нагревателем из толстопленочного материала на основе диоксида рутения, размер кристалла составляет 1,5 х 1,5 х 0,5 мм . Кристалл сенсора смонтирован в корпусе ТО-5, контакты выполнены из проволоки Pt/W диаметром 40 мкм. Для сравнения основные характеристики наиболее популярных полупроводниковых датчиков представлены в таблице 1.3.

Потребляемая мощность, которая для газового металлооксидного сенсора ассоциируется с рассеиваемой тепловой мощностью, находится в диапазоне от 14 мВт.

Таблица 1.3 - Основные характеристики полупроводниковых датчиков

Модель TGS 2610 (Figaro) [9] MQ-2 (Winsen) [9] MQ-4 (Winsen) [9] TGS 2611 (Figaro) [9] TGS 2612 (Figaro) [9]

Детектируемый газ метан, горючий газ метан, горючий газ метан, горючий газ метан, горючий газ метан, горючий газ

Диапазон чувствительности, PPm 500-10000 300-10000 300-10000 500-10000 300-10000

Время отклика, меньше, с 10

Ток нагревателя, меньше мА 61 190 190 61 61

Напряжения нагревателя, В 5±0,2 5±0,1 5±0,1 5±0,2 5±0,2

Основная проблема в применении этого типа сенсоров в портативных газоанализаторах - высокая кросс-чувствительность. Полупроводниковые и каталитические датчики изготовленные имеют высокое энергопотребление из-за того, что большое количество мощности расходуется на нагрев слоя катализатора. В настоящее время существуют передовые разработки по уменьшению размеров нагреваемого слоя катализатора в планарных полупроводниковых и каталитических сенсорах, однако в продаже данные сенсоры практически отсутствуют.

1.6 Оптические газовые сенсоры

Оптические газовые сенсоры основаны на принципе поглощения газом инфракрасного излучения [13]. Различные газы имеют разные максимумы поглощения инфракрасного излучения, поэтому тип и концентрация газа могут быть определены оптическим методом. Принцип работы (рисунок 1.9) оптического датчика NDIR, определяющего тип и концентрацию газа, основан на изменении интенсивности

инфракрасного излучения до и после поглощения в инфракрасном детекторе с избирательной чувствительностью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Суханов Александр Владимирович, 2019 год

у У -

г у

г .

сотах

СОпогт

СОтт Н2

С5Н5ОН

С4Н10

СН4

200 400 600

Концентрация газа, ррш

800

1000

Рисунок 2.20 - Чувствительность сенсора к различным газам

Принцип действия аналогового преобразователя в основном идентичен принципу работы остальных электрохимических сенсоров. Когда токсичный газ проходит через газопроницаемую диффузионную мембрану и достигает рабочего электрода, протоны и электроны генерируются в ходе химической реакции окисления токсичного газа. Создавая короткое замыкание между рабочим и противоточным электродами с внешней проводкой, электроны и протоны на рабочем электроде перемещаются на противоэлектрод через внешнюю проводку и через протонный проводник. Затем протон вступает в реакцию с кислородом на противоэлектроде.

На поверхности рабочего электрода происходит электрохимическая реакция окисления или восстановления. В ионном проводнике возникает движение электронов и на вспомогательном электроде возникает химическая реакция. На вспомогательном электроде протекает противоположная реакция, чем та, которая протекает на рабочем электроде. В результате электрохимической реакции элемент создает разность потенциалов, являющуюся откликом датчика. Посредством измерения тока между двумя электродами определяется наличие газа.

Так как существует линейная зависимость между током и концентрацией детектируемого газа, датчик может быть откалиброван с использованием газа известной концентрации ПГС. Другие значения концентрации могут быть получены на основе уровня выходного сигнала датчика.

Для реализации ЦГД с использованием термокаталитического газового сенсора требуется аналоговый блок обработки на основе малопотребляющих операционных усилителей и транзисторов. Часть схемы ЦГД, которая демонстрирует принцип работы с термокаталитическим газовым сенсором, представлена на рисунке 2.21.

Э01

Рисунок 2.21 - Часть схемы электрической для работы с термокаталитическим

газовым сенсором

Термокаталитический газовый сенсор работает в импульсном режиме. Переключение в режим нагрева и обратно происходит контрольным сигналом микроконтроллера на вход аналогового блока обработки, используется схема ключа на биполярном транзисторе. Для уменьшения энергопотребления измерительная схема отключается транзистором, когда не осуществляется мониторинг окружающей среды.

Оба резистора при работе (активный и сравнительный) должны нагреваться до температуры нагрева, при которой происходит сгорание газа. Чтобы удовлетворять это требование, необходимо подать датчику напряжение на вход аналогового термокаталитического сенсора.

Во время работы, с увеличением температуры термокаталитического сенсора изменяется и его сопротивление. Это приведет к уменьшению тока нагрева при условии, что напряжение нагрева остается постоянным. Сигналом термокаталитического сенсорного элемента является напряжение между плечами мостовой схемы, которое меняется при присутствии метана. Для аналогового блока обработки термокаталитического газового сенсора не рекомендуется использовать схему со стабилизацией тока, так как это может привести к выходу сенсора из строя за счет перегрева при превышении концентраций газа выше предельной из-за интенсивного термокаталитического процесса на поверхности чувствительного слоя.

Для реализации ЦГД с использованием полупроводникового газового сенсора требуется практически такой же аналоговый блок обработки, как и для термокаталитический сенсоров. Использование МОП транзисторов требуется для реализации импульсного режима работы. Часть схемы ЦГД, которая демонстрирует принцип работы с полупроводниковым газовым сенсором, представлена на рисунке 2.22.

DD1 VCC

VCC

/шс_;л/2

ОРЮ1

ОРЮ2 вРЮЗ

Рисунок 2.22 - Часть схемы электрической для работы с полупроводниковым

сенсором

В рамках диссертационной работы разработано специализированное программное обеспечение микроконтроллера ЦГД. Общий алгоритм инициализации ЦГД представлен на рисунке 2.23. После включения микроконтроллера происходит инициализация периферии, настройка портов ввода-вывода, считывание значений, которые хранятся во внутренней памяти ЕЕРЯОМ (тип газа, калибровочные данные, дата поверки и т.д.). После начальной инициализации, происходит включение прерывания по таймеру для подсчета времени прошедшего от начало работы. Затем проверяется наличие калибровочных констант в ЕЕРЯОМ и выставляется бит к для коррекции алгоритма считывания напряжения с выхода аналогового блока обработки (с использованием калибровочных констант, либо подсчет концентрации будет проходить исходя из общих характеристик чувствительного элемента).

Рисунок 2.23 -

Алгоритм инициализации цифрового газового датчика

После этого начинается процесс самопроверки в зависимости от используемого чувствительного газового сенсора. Алгоритм самопроверки проверяет значения, полученные с АЦП в зависимости от подаваемых тестовых сигналов на аналоговый блок обработки. Результатом самопроверки становится выставление флага готовности к работе либо флага ошибки.

На рисунке 2.24 представлен разработанный алгоритм работы ЦГД после инициализации во время обмена данными с микроконтроллером БЭГ (мастером БР1).

После приема пакета микроконтроллер ЦГД проверяет контрольную сумму полученного пакета. Если контрольная сумма совпадает, то происходит их обработка. После проверки контрольной суммы пакета, микроконтроллер ЦГД передает данные о готовности сенсора, в случае если прошло определенное время после инициализации (время прогрева, время готовности). Далее по специальному протоколу, ведущий микроконтроллер БЭГ отправляет команды для выполнения различных операций (получение концентрации, получение температуры, запись калибровочных констант, команда на запись и чтение свойств датчика и т.д.). ЦГД в ответ на правильную команду с контрольной суммой, выполняет ряд действий, предписанных алгоритмом, и отравляет ведущему устройству данные с результатами операции.

hd

S

о

о «

ю "ю

> и

ч

о ^

s

H

^

pa о\

о g

с

а

я о о

и

О)

s

К

s а s

pa U К

из

В

s s

ON

--J

Проверка погрешности измерений разработанных ЦГД может производиться несколькими способами: с помощью поверочных газовых смесей (ПГС) из баллонов, с помощью термодиффузного генератора, укомплектованного источниками микропотоков с соответствующими веществами, или с помощью дозатора жидкости и газовой камеры известного объема. При работе с поверочными газовыми смесями из баллонов ПГС собирают простую газовую схему. На баллон ПГС подключают понижающий редуктор, затем присоединяют гибкую химически-стойкую трубку и ротаметр, штуцер насадки соединяют с выходом ротаметра гибким шлангом. По ротаметру устанавливают требуемый расход газовой смеси.

Для исследования выходных характеристик ЦГД используется специализированная плата, которая позволяет программировать встроенный миниатюрный микроконтроллер. Плата может быть использована для работы с любым ЦГД.

В рамках диссертационной работы был разработан специализированный испытательный стенд (рисунок 2.25) для исследования характеристик ЦГД. В состав собранного стенда вошел вытяжной шкаф, генератор газа, баллоны с ПГС, персональный компьютер, плата для измерения, технологическая оснастка, специализированное программное обеспечение. Разработанный стенд позволил исследовать характеристики используемых электрохимических, термокаталитических и полупроводниковых газовых сенсоров.

В рамках диссертационной работы проверку работоспособности ЦГД производили при помощи диффузной газодинамической установки (термодиффузного генератора) типа «Микрогаз-Ф» [57]. Принцип работы этого генератора газовых смесей основан на введении в воздушный поток источника микропотока исследуемого газа с известной величиной испарения вещества через стенки фторопластовой ампулы-источника микропотока [58]. Установив источник микропотоков с необходимым веществом в установке, можно создавать высокостабильные газовые потоки заданной концентрации разного состава. Для работы собирают стенд по схеме, представленной на рисунке 2.26. К генератору подключают баллоны ПГС через понижающий редуктор.

Рисунок 2.25 - Испытательный стенд с генератором газа в вытяжном шкафу

Рисунок 2.26 - Схема для проверки ЦГД от генератора газа. 1 - баллон воздухом; 2 -редуктор; 3 - генератор газа; 4 - химически-стойкая трубка; 5 - газовая насадка; 6 - ЦГД

Среди основных этапов программирования ГЦД, можно выделить операцию подачи газа с заданной концентрацией и запись полученного результата АЦП во внутреннюю память микроконтроллера.

Во время операции калибровки и записи коэффициентов в память микроконтроллера ЦГД требуется учитывать большое количество особенностей. При калибровке ЦГД требуется учитывать относительную погрешность 8с (%) заданного

значения концентрации ^го компонента в ПГС, который подается на чувствительный элемент, которая вычисляется по формуле:

Sci = 100 X

Z (% X g.

k=1

100

' m Л

Z gk

4k=1 у

■ +

Z

j=1

(Sq,

100

X q,

(» Л

Zq,

\,=1 У

(1)

где Ci - концентрация i - го компонента в приготавливаемой ПГС, мкг/мин;

m - количество ИМП с i - компонентом, использующихся для получения ПГС; Sgk - паспортная относительная доверительная погрешность производительности i - го компонента из k - го ИМП, %;

gk - значение производительности k - го ИМП по i - му контрольному компоненту, мкг/мин;

Sqj - пределы допускаемых относительных погрешностей поддержания заданных значений расходов в каналах формирования газовых потоков, использующихся для подачи газов-разбавителей, %;

qj - заданные значения объемных расходов газов - разбавителей (ПГС0, ПНГ и др.), приведенные к стандартным условиям, мл/мин;

n - количество формирования газовых потоков, использующихся для подачи газов - разбавителей.

При калибровке ЦГД требуется учитывать внутренние шумы операционных усилителей (DD1) с коэффициентом усиления NG операционного усилителя при неинвертирующем включении:

NG = 1 +

R .

В таком случае напряжение шумов на выходе Voutnoise будет равно:

f г» \

(2)

V = е •

outnois n

1 + R

R

6 у

(3)

где en - среднеквадратичное напряжение шумов в заданном диапазоне частот. В итоге Vout - выходное напряжение, получаемое на входе АЦП микроконтроллера, будет вычисляться по формуле:

2

2

n

2

2

V =

out

V

í л2 1+r4

R

+

6 y

+

'l + R4-

R

6 y

2

где V¡n - напряжение смещения.

Также в рамках диссертационной работы проверку работоспособности ЦГД производили при помощи газовой камеры известного объема. Этот способ рекомендуется для паров горючих жидкостей: бензин (гексан), спирты (этанол, метанол), растворители (ацетон), и для растворов аммиака (нашатырный спирт) и водорода хлористого (пары соляной кислоты).

Для этого собирают специализированный испытательный стенд с газовой камерой, изображенный на рисунке 2.27. После установки ЦГД в герметичную камеру и ее герметизации, включается вентилятор для перемешивания воздуха, затем и вводится заданная порция вещества с помощью дозатора. Зная объем камеры, количество и концентрацию жидкости, вводимой дозатором внутрь, можно рассчитать концентрацию получаемого газа.

2.6 Выносной цифровой модуль газовых датчиков

Правильное размещение газовых датчиков является залогом эффективной работы системы мониторинга и безопасности сотрудников. Выносные газовые модули устанавливают вблизи зоны возможного газовыделения и подключают к беспроводному газоанализатору. Высота установки выносного модуля полностью зависит от физических свойств контролируемых газов. Поскольку газы, более тяжёлые, чем воздух (диоксид углерода, пропан, хлор и др.), будут скапливаться в нижней части помещения, то чувствительные элементы устанавливают на высоте не более 1 метра от пола [59]. Более лёгкие газы будут подниматься в верхнюю часть помещения и датчики надо ставить вблизи потолка. Для газов, имеющих плотность близкую к воздуху, место расположения может быть любое. Для токсичных газов датчики располагают на уровне дыхания человека [59]. При получении информации и ее интерпретации с выносного газового модуля требуется руководствоваться общими санитарно-гигиеническими требованиями к воздуху рабочей зоны ГОСТ 12.1-005-88.

Для определения концентрации некоторых газов может быть использован разработанный выносной многоканальный модуль. Фотография опытного образца выносного многоканального модуля в корпусе представлена на рисунке 2.28, на рисунке 2.29а и 2.29б изображена плата обработки модуля.

фЬ

Рисунок 2.28

Внешний вид выносного модуля с 4 датчиками

а) б)

Рисунок 2.29 - а) вид сверху на плату выносного модуля б) вид снизу

Разработанный выносной модуль имеет цифровой интерфейс Я8-485 и может использоваться как с БЭГ так и с уже существующими стационарными станциями определения концентрации газов. Каждый выносной цифровой модуль может подключатся к разработанному БЭГ при помощи витой пары, по которой осуществляется питание и передача служебной информации. Использование стандарта Я8-485 для передачи данных между беспроводным энергонезависимым газоанализатором и выносным датчиком позволяет реализовать недорогую и надёжную передачу данных в среде с высоким уровнем шума и неблагоприятными условиями, такими как помещения с большим количеством промышленных установок. Уменьшение восприимчивости к внешним помехам на шине RS-485 достигается благодаря дифференциальному способу передачи сигналов.

В состав разработанного выносного модуля входит: 32-разрядный миниатюрный малопотребляющий микроконтроллер, малопотребляющий приемопередатчик RS-485, интегрированный источник питания, блок с цифровыми газовыми датчиками. На рисунке 2.30 представлена электрическая схема интегрированного источника питания, реализованная в разработанном модуле.

Рисунок 2.30 - Часть схемы электрической принципиальной источника питания

Интегрированный источник питания выносного модуля получает внешнюю энергию по витой паре от БЭГ и формирует на выходе постоянное аналоговое и цифровое питание. На стороне БЭГ установлен блок гальванической развязки для защиты основного изделия. На входе источника питания использованы конденсаторы и супрессор для подавления импульсных помех.

ТЛ __" __и

В источнике питания применяется миниатюрный импульсный регулятор напряжения ТР862740, который имеет собственный ток потребления 360нА при коэффициент полезного действия 95% [60-61]. Фильтрация помех осуществляется как по питанию, так и по общему проводу. Керамические конденсаторы различной емкости подавляют высокочастотные и низкочастотные помехи на цифровой и аналоговой линии питания.

На рисунке 2.31 представлена основная часть электрической схемы цифрового модуля газовых датчиков. 1 лавным в схеме является управляющий 32-разрядный малопотребляющий микроконтроллер серии STM32L0, который работает с четырьмя ЦГД при помощи SPI. Управляющий микроконтроллер работает с ЦГД, которые содержат чувствительные элементы различного типа — полупроводниковые, электрохимические, термокаталитические и оптические.

Рисунок 2.31 - Часть схемы электрической принципиальной. Цифровая часть модуля

Используя асинхронный интерфейс UART, микроконтроллер работает с микросхемой драйвера RS-485 8К65ИУБ147х, получая и передавая данные со скоростью передачи данных до 50 Мбит/с основному устройству. Используемая микросхема SN65HVD147x обеспечивает защиту от электростатического разряда до 16 кВ и имеет малый собственный ток потребления - менее 1 мА в активном режиме, от 10 нА в спящем [62]. Для обеспечения надежной передачи данных БЭГ использован принцип комбинированной защиты от электростатики и микросекундных помех. Принцип комбинированной защиты заключается в следующем: при всплеске напряжения первым срабатывают быстродействующие супрессоры, срабатывание супрессоров приводит к увеличению тока через быстродействующие самовосстанавливающийся защитные компоненты, при превышении тока максимального уровня БСЗК разрывает цепь, создавая барьер для дальнейшего распространения помехи. Основную часть оставшейся помехи рассеивают на себе первичные супрессоры. После завершения действия импульса помехи БСЗК возвращается в исходное состояние и замыкает цепь [63].

2.7 Программное обеспечение беспроводного энергонезависимого газоанализатора

В рамках диссертационной работы было разработано специализированное программное обеспечение микроконтроллера БЭГ, которое позволяет:

1) измерять концентрацию токсичных и взрывоопасных газов;

2) работать в составе беспроводной сенсорной сети в качестве конечного устройства или маршрутизатора;

3) обеспечивает прием служебной и передачу измерительной информации по беспроводному каналу связи;

4) обеспечивает контроль состояния основной аккумуляторной батареи;

5) обеспечивает кодирование и сохранение измерительной информации в автономном режиме;

6) обеспечивает шифрование данных для защиты от несанкционированного доступа;

7) обеспечивает возможность перепрограммирования и пошаговой отладки программного кода.

Все основные функции реализованы в программе управляющего микроконтроллера БЭГ. Опытный образец БЭГ имеет возможность перепрограммирования и пошаговой отладки программного кода управляющего микроконтроллера посредством интерфейса JTAG и SW [64]. Для этого используется несколько режимов работы микроконтроллера - режим UART загрузчика и режим отладочного интерфейса. После включения питания и снятия сигналов сброса: внутренних и внешних, микроконтроллер начинает выполнять программу из информационной загрузочной области FLASH. В загрузочной программе микроконтроллер определяет, в каком из режимов он будет функционировать и переходит в этот режим. Режим функционирования определяется внешними выводами микроконтроллера.

При работе в режиме отладки микроконтроллера БЭГ разрешается работа отладочного интерфейса SW. В отладочном режиме управляющего микроконтроллера БЭГ доступны следующие операции: изменять внутреннюю FLASH память программ, считывать и записывать содержимое ОЗУ, выполнять программу в пошаговом режиме,

останавливать программу по точкам остановки, просматривать переменные выполняемой программы.

Во время программирования микроконтроллера БЭГ в режиме UART загрузчика используют один и тот же периферийный модуль. Данные режимы предоставляют достаточный набор операций, необходимых для записи в ОЗУ какой-либо программы, верификации ее и запуска на выполнение.

При программировании в режиме UART-загрузчика в качестве источника тактовой частоты UART1 используется внутренний RC-генератор HSI с частотой 8 МГц. Для связи по UART в режиме UART-загрузчика используются следующие технические параметры канала связи: 9600 бод, количество бит данных - 8, четность - нет, количество стоп бит - 1. Загрузчик всегда выступает в качестве Slave, а внешнее устройство, подающее команды - в качестве Master. Данные передаются младшим битом вперед.

При разработке и тестировании ПО микроконтроллера БЭГ в основном использовался отладочный режим SW с использованием внутрисхемного программатора Segger J-Link и программатора ST-Link v2. На рисунке 2.32 изображен БЭГ в режиме отладки с программатором Segger J-Link [65].

Рисунок 2.32 - Отладка программного обеспечения микроконтроллера БЭГ

В рамках диссертационной работы разработано специализированное ПО на основе энергоэффективного алгоритма работы микроконтроллера, который позволяет

существенно уменьшить энергопотребление БЭГ. Разработанный алгоритм функционирования устройства позволяет организовать циклическую работу [66] БЭГ: режим сна, режим измерения, режим приема, режим передачи.

Алгоритм работы БЭГ с функциями конечного устройства сенсорной сети включает в себя следующие режимы: спящий, измерения, ожидания, приема данных, передачи данных. Главным отличием БЭГ с функциями конечного устройства от БЭГ-маршрутизатора является отсутствие функции маршрутизации чужих пакетов. Алгоритм работы БЭГ представленный на рисунке 2.33 с функциями конечного устройства имеет циклический режим работы.

Общий алгоритм работы БЭГ с функциями маршрутизатора сенсорной сети включает в себя следующие режимы: измерения, ожидания, приема данных, передачи данных, ретрансляции данных от других устройств. Алгоритм представлен на рисунке 2.34 и имеет циклический режим работы.

Программное обеспечение микроконтроллера реализует специальный протокол передачи данных, который содержит 2 разных типа пакета - служебный и информационный пакет. При включении питания, перезапуске, отказе или переконфигурировании БЭГ отправляется служебный пакет, содержащий свойства устройства. В штатном режиме, пока нет никаких событий, отправляется информационный пакет, содержащий необходимые данные.

Описание содержания данных, отправляемых от БЭГ в сенсорную сеть:

- серийный номер приемопередающего модуля (МАС-адрес);

- тип сетевого устройства: конечный узел / координатор / роутер;

- мощность принимаемого сигнала;

- период циклического сна либо его отсутствие;

- конфигурация газового сенсора: тип газа, тип чувствительного элемента;

- время измерения (с-м-ч д-м-г);

- концентрацию газа в ррт;

- оставшийся ресурс газового датчика в часах;

- информация о том, что чувствительный элемент ЦГД неисправен.

Рисунок 2.33 - Алгоритм работы БЭГ с функциями конечного устройства сенсорной

сети

Начало

V

Рисунок 2.34

Алгоритм работы БЭГ с функциями маршрутизатора сенсорной сети

Функции ПО микроконтроллера БЭГ позволяет задать роль (маршрутизатор либо конечный узел) устройства в составе сенсорной сети. Позволяет организовать саморазвертывание сенсорной сети при включении/перезапуске устройств. Реализованные функции ПО позволяют получать специализированные служебные пакеты и обрабатывать команды от координатора сети.

В служебных пакетах от координатора могут находиться команды на передачу информации об устройстве, команды изменения периода циклического сна, команды изменения уровень мощности приёмопередатчика, команды изменения сетевых параметров и т.д.

В рамках диссертационной работы разработан и исследован оптимальный энергоэффективный алгоритм функционирования БЭГ при работе с автономным питанием в составе самоорганизующейся беспроводной сенсорной сети. Предложенный оптимальный алгоритм функционирования БЭГ и специализированное программное обеспечение позволяют значительно увеличить время автономной работы устройства.

В разработанном программном обеспечении использованы специализированные функции, которые позволяют защитить беспроводной канал передачи данных от несанкционированного доступа. В беспроводных системах мониторинга утечек токсичных и горючих газов, которые работают с использованием протокола IEEE 802.15.4 очень важно учитывать возможность несанкционированного вмешательства в работу. Спецификация IEEE 802.15.4 регламентирует безопасность на сетевом уровне и уровне приложений. Предусмотренные спецификацией Zigbee службы безопасности определяют создание ключей, управление устройствами и защиту данных. Спецификация стандарта включает три режима безопасности — локальный, стандартный и повышенный. Локальная безопасность была впервые введена в стандарте Zigbee 2006. Она требует, чтобы ключ шифрования был предустановлен на всех устройствах, подключающихся к сети. Стандартный режим безопасности добавляет некоторые опциональные возможности, а также вводит шифрование на уровне приложения. Повышенная безопасность предусматривает проверку подлинности и некоторые другие усовершенствования, которые в настоящее время не поддерживаются производителями ZigBee-стеков в достаточной мере.

В беспроводных сетях IEEE 802.15.4 предусмотрено несколько механизмов криптографической защиты данных: шифрование AES, 2 типа ключей шифрования, поддержка центра доверия, механизмы проверки целостности сообщения и проверки его подлинности. Безопасность в ZigBee используется как на сетевом уровне, так и на уровне приложения. Передаваемая по эфиру информация шифруется с помощью алгоритма AES с длиной ключа 128 бит. В качестве ключей шифрования применяется

u u u Т/* 1 и

сетевой ключ и опциональный связной ключ. Ключи шифрования представляют собой некоторую 128-битную последовательность, которая вручную загружается в модуль или формируется им самостоятельно. Извлечь ключ из модуля невозможно. Только те два ZigBee-узла, которые содержат одинаковые ключи шифрования, могут взаимодействовать между собой. Центр доверия в сети ZigBee с безопасностью авторизует подключаемые к сети узлы и выполняет рассылку ключей шифрования. Обычно в качестве центра доверия выступает координатор.

Сетевой ключ применяется для шифрования пользовательских данных и дополнительной информации верхнего уровня. Сетевая безопасность не распространяется на MAC-уровень. Сетевой заголовок, APS-заголовок и полезные данные дополняются сертификатом подлинности. Над содержимым этих полей выполняется хеширование, и к пакету добавляется код целостности сетевого сообщения. В безопасной ZigBee-сети пакет дешифруется и шифруется при каждой ретрансляции на всем маршруте следования. Промежуточный узел дешифрует пакет и проверяет его целостность. Если пакет предназначен не этому узлу, то данные вновь зашифровываются и аутентифицируются на основе счетчика фреймов и сетевого адреса промежуточного узла.

Безопасность на уровне приложения позволяет зашифровать полезные данные с помощью ключа шифрования, известному только отправителю и получателю пакета. В то время как сетевое шифрование на базе сетевого ключа применяется ко всем сообщениям внутри сети, шифрование на уровне приложения является необязательным и может использоваться только при отсылке конкретного пакета.

При шифровании на уровне приложения используются два типа ключей — связной ключ для обмена данными с центром доверия и ключ шифрования данных

приложения. Промежуточные узлы сети не могут получить доступ к этим данным, т.к. ключ шифрования данных приложения известен только отправителю и получателю.

Координатор отвечает за выбор сетевого ключа шифрования. Сетевой ключ может быть определен изначально. Координатор выступает в роли центра доверия, поэтому он управляет формированием и раздачей связного ключа. Связной ключ может быть выбран случайным образом или предварительно записан в модуль. Каждое подключаемое к сети новое устройство должно получить сетевой ключ в процессе подсоединения к сети. Если подключаемое устройство имеет связной ключ, то тогда передача сетевого ключа происходит в зашифрованном виде — для шифрования

и U __T-v _

используется предустановленный связной ключ. В противном случае передача сетевого ключа выполняется в открытом виде, однако центр доверия должен решить, отправлять или нет ключ в незашифрованном виде.

На практике БЭГ получает сетевой ключ в момент подсоединения к сети. Координатор назначает сетевой ключ для всей сети. Роутеры и конечные устройства с включенным режимом безопасности получают сетевой ключ в момент подсоединения к сети. Сетевой ключ передается от координатора в закрытом виде, если в подсоединяемый узел был предварительно записан правильный связной ключ. Также можно запретить координатору рассылку сетевого ключа в открытом виде с помощью команды.

В приложении А представлены свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ для:

— Программного обеспечения для сбора и анализа данных с территориально удаленных сенсорных устройств;

— Программного обеспечения микроконтроллера сенсорного узла для сбора и передачи данных по стеку протоколов TCP/IP;

— Программного обеспечения микроконтроллера автономного беспроводного сенсорного узла для контроля газовой среды на промышленных объектах.

2.8 Выводы

Определены основные конструктивные и функциональные требования, к разрабатываемому устройству, исходя из критического анализа существующих технических решений.

Разработанный комплекс научно-технических решений обеспечивает создание БЭГ для построения масштабируемых самоорганизующихся и энергонезависимых сенсорных сетей, предназначенных для систем промышленной безопасности и экологического мониторинга.

Разработанный БЭГ имеет улучшенные технические и эксплуатационные характеристики по сравнению с существующими прототипами на российском рынке.

Разработанный ЦГД на основе миниатюрного микроконтроллера отличается низким энергопотреблением, что способствует обеспечению увеличения времени работы БЭГ. В отличие от аналоговых датчиков, разработанный ЦГД обеспечивает автоматическую температурную коррекцию и самодиагностику. Разработанный алгоритм микроконтроллера ЦГД позволяет работать с электрохимическими, полупроводниковыми и термокаталитическими чувствительными элементами.

Проведены лабораторные испытания ЦГД с использованием двух испытательных стендов с газовой камерой и генератором газа. Испытания позволили отладить алгоритмы автоматической температурной коррекции и самодиагностики ЦГД.

Разработан и изготовлен опытный образец выносного многоканального модуля для БЭГ с функциями маршрутизатора, который может функционировать в условиях неблагоприятной электромагнитной обстановки на реальных промышленных объектах и может быть установлен вблизи зоны возможного газовыделения.

Разработан энергоэффективный алгоритм работы БЭГ с функциями конечного устройства и маршрутизатора беспроводной сенсорной сети стандарта IEEE 802.15.4. Разработанный энергоэффективный алгоритм функционирования БЭГ позволяет значительно продлить время автономной работы в составе сенсорной сети.

Разработанный энергоэффективный алгоритм работы БЭГ с функциями конечного устройства сенсорной сети включает в себя следующие режимы: спящий, измерения, ожидания, приема данных, передачи данных. Главным отличием БЭГ с функциями конечного устройства от БЭГ-маршрутизатора является отсутствие функции

маршрутизации чужих пакетов. Спящий режим у БЭГ с функциями маршрутизатора отсутствует.

Разработано программное обеспечение управляющего микроконтроллера БЭГ, которое обеспечивает работу алгоритма обработки и преобразования информации с ЦГД, кодирование и сохранение измерительной информации в автономном режиме, передачу данных в составе сенсорной сети.

3 Разработка микросборок силовых ключей и приемопередатчика для беспроводного энергонезависимого газоанализатора

В настоящее время наиболее распространена традиционная планарная технология монтажа отдельных кристаллов или электронных компонентов на печатных платах. За счет этого готовые электронные изделия имеют существенные размеры, а технология объемной интеграции практически не применяется и находится в начальной стадии своего развития [67] в России. Особенно это касается области силовой электроники, где реализация плотной компоновки элементов и уменьшение габаритов изделия связанна с очевидными проблемами - размерами электронных компонентов, проблемами теплоотвода, ограниченным выбором материалов. Для таких сфер применения, как промышленная, авиационная и космическая техника, задача миниатюризации, решаемая без потери необходимой степени надежности, остается крайне актуальной.

Современное производство электронной техники в целом характеризуется тенденциями к миниатюризации и повышению плотности функциональных элементов. Задачи миниатюризации, повышения плотности и функциональности элементов силовой электроники решаются за счет применения современных технологий изготовления полупроводниковых приборов, технологий монтажа и корпусирования, а также за счет разработки и использования новых материалов.

3.1 Технология трехмерной объемной интеграции

В рамках диссертационной работы разработаны миниатюрная микросборка приемопередатчика и микросборка силовых ключей с применением 3D технологии объемной интеграции. Предлагаемая технология основана на разбиении структуры устройства на отдельные элементы (технологические подложки) с целью их сборки в стек и последующей герметизации компаундом для обеспечения механической прочности микросборки. Основная идея технологии заключается в создании межстековой коммутации (межстековых вертикальных токопроводящих проводников) на боковой поверхности микросборки за счет покрытия микросборки токопроводящим металлом и последующим формированием топологического

рисунка. Собранное по такой технологии устройство обладает меньшими планарными габаритами, а также защитой от внешних воздействий различного вида [68]. При разбиении устройства на отдельные технологические подложки появляется возможность независимой проверки каждой функциональной части устройства, что положительно сказывается на коэффициенте выхода годных производственного процесса [69].

Эта технология схожа с перспективной технологией миниатюризации 3D-SÍP (Three Dimensional System In Package). Технология 3D SIP заключается в упаковке нескольких электронных подсистем в одну функциональную высокоинтегрированную систему [70]. Пример объемной и многокристальной упаковки [71] по технологии 3D-SiP показан на рисунке 3.1. Такая система содержит 2 или более уровней. В роли таких уровней выступают технологические подложки, на которые монтируются различные корпусные электронные компоненты и кристаллы микросхем [72-73]. В технологии для соединения подсистем используется [74-77] шариковый припой BGA (Ball grid array — массив шариков), термокомпрессионная микросварка, монтаж перевернутого кристалла (Flip Chip), а также вертикальные межсоединительные проводники VIP (Vetical Interconnect Pillar) [78].

Интерпозер

Рисунок 3.1 - Объемная интеграция технологических площадок

Для миниатюризации БЭГ были применены специально разработанные микросборка приемопередатчика и микросборка силовых ключей. Микросборки были изготовлены на основе собственной технологии 3D компоновки с использованием

межстековых вертикальных токопроводящих проводников. Основные этапы разработанной технологии трехмерной интеграции схематично представлены ниже в таблице 3.1 с пояснениями.

Таблица 3.1 - Основные этапы технологии создания высокоинтегрированной микросборки

№

Этапы сборки микросборки

Примечание

Рисунок 3.2 - Пустая технологическая подложка

Деление изделия на функциональные части, разработка конструкции

многоуровневой высокоинтегрированной микросборки. Изготовление

технологических подложек с учетом требований к сборочным единицам микросборки (рисунок 3.2). На торцах подложек расположены специальные контактные площадки для вертикальной интеграции, а также для проверки работоспособности функциональных

частей перед сборкой. Входной контроль.

2

Монтаж электронных компонентов на технологические подложки (рисунок 3.3). Проверка работоспособности

функциональных частей. Очистка технологических подложек от загрязнений.

Рисунок 3.3 - Технологиче ская подложка с ЭКБ

1

Рисунок 3.4 - Сборка в стек технологических подложек

Сборка технологических подложек в стек с использованием технологической

оснастки, спроектированной под заливку многоуровневой сборки специальным эпоксидным компаундом (рисунок 3.4).

4

Рисунок 3.5 - Герметизация стека микросборки

Герметизация технологического стека с использование компаунда в специальной технологической оснастке, полимеризация компаунда (рисунок 3.5). Компаунд используется для обеспечения

герметичности, механической прочности и формирования межстековой коммутации на поверхности.

Рисунок 3.6 - Микросборка необходимого размера

После полимеризации компаунда, залитая заготовка обрезается высокоточным оборудованием до необходимых размеров (рисунок 3.6). Операция позволяет «оголить» на боковой поверхности микросборки металлизированные

контактные площадки, предназначенные для вертикальной интеграции. Очистка микросборки от загрязнений.

Рисунок 3.7 - Микросборка с токопроводящим покрытием

Подготовка поверхности к нанесению токопроводящего покрытия. Нанесение на поверхность микросборки металла

необходимой толщины различными методами (рисунок 3.7). Исследование токопроводящего покрытия.

5

6

Рисунок 3.8 - Микросборка с топологией межстековой коммутации

Формирование на поверхности

микросборки топологии межстековой коммутации (рисунок 3.8) методом лазерной абляции. Очистка микросборки от загрязнений, нанесения защитной покрытия. Проверка электрических и функциональных характеристик.

Исследование технологического процесса создания микросборок

В рамках диссертационной работы стояла задача подобрать оптимальные параметры технологической операции и материалы для герметизации трехмерного модуля. Был рассмотрен ряд наиболее часто используемых и подходящих по характеристикам компаундов, подобраны оптимальные режимы полимеризации компаундов, проведены экспериментальные исследования на совместимость используемых материалов и проверка надежности готовой микросборки. На предварительных этапах отладки технологии создания модуля был отлажен процесс заливки и полимеризации компаунда. Для получения герметичного, бездефектного модуля, в технологический маршрут были включены операции подготовки и обработки заливочных форм при помощи разделительной смазки на восковой основе ВС-М, преднагрев форм и заливочного компаунда для улучшения текучих свойств, многостадийная дегазация компаунда в вакуумной камере (давление менее 2 Па). Также были опробованы различные температурные режимы отверждения залитого компаунда, влияющие на его конечные механические свойства и, как следствие, на надежность микросборки.

В рамках диссертационной работы на первом этапе были исследованы характеристики более 10 популярных герметиков, которые применяются в микроэлектронике. На втором этапе отобраны 3 типа герметиков (тип А - Технэк-90, тип В - Технэк-200, тип С - ЧЦК-48), подходящих для применения в силовой

микроэлектронике [79]. Для использования в технологическом процессе подходят герметики с широким диапазоном рабочих температур, твердые, влагостойкие, с высоким коэффициентом теплопроводности. На рисунке 3.9 представлены зависимости температурного коэффициента расширения (ТКР) (%) от рабочей температуры для каждого герметика (тип A,B,C).

Н-1-1->

О Tgl Tg2 Температура. °С

Рисунок 3.9 - Температурное расширение материалов А, В и С с различной температурой

стеклования

Для выбора подходящего компаунда были проведены лабораторные исследования согласно российскому ГОСТ Р 51368-99. Экспериментальные исследования осуществлялись с целью проверить способность изделий сохранять работоспособность после воздействия верхнего и нижнего значения температуры внешней среды [80]. Эксперимент проводился в камере тепла и холода, каждая из которых обеспечивала испытательный режим с отклонениями, не превышающими указанные в ГОСТ 30630.0.0. Воздействующими факторами в проведенных экспериментах являются повышенная (+125°С) и пониженная (минус 60°С) температура внешней среды. Испытание на циклическое воздействие смены температур проводилось для определения способности изделий противостоять быстрой смене температур [81] [82]. Исследование состояло из резкой смены верхнего и нижнего значения испытательных температур. Термоциклирование проводилось в двух камерах

Е8РЕС МС-812Я, одна из которых была предварительно нагрета до температуры +125°С, а другая охлаждена до температуры минус 60°С. Применялось двадцать циклов смены температуры. Для испытаний были изготовлены экспериментальные макеты электронных блоков с печатными платами и герметизированными компаундами типа А,В,С. Результаты экспериментальных исследований изделий с различными компаундами представлены на рисунках 3.10-3.15.

Рисунок 3.10 - Стек печатных плат герметизированный компаундом типа А до

исследований

Рисунок 3.11 - Стек печатных плат герметизированный компаундом типа А после

исследований

Рисунок 3.12 - Стек печатных плат с компаундом типа B до исследований

Рисунок 3.13 - Стек печатных плат герметизированный компаундом типа B после

исследований

Рисунок 3.14 - Стек печатных плат герметизированный компаундом типа С до

исследований

Рисунок 3.15 - Стек печатных плат герметизированный компаундом типа С после

исследований

В результате лабораторных исследований были получены результаты, которые выявили растрескивание компаундов в экспериментальных образцах. Основными причинами возникновения внутренних усадочных и термических напряжений в гетерогенных системах является изменение первоначального объема герметизирующего компаунда и различия в ТКР материалов, составляющих микросборку. Термические напряжения обусловлены различиями в ТКР компаунда и герметизированных деталей [83]. Согласно теории упругости любой объем однородного термически изотропного вещества с ТКР больше нуля при охлаждении уменьшается в размерах без возникновения напряжений при условии, что его температура изменяется равномерно, и нет препятствующих свободного изменению размеров [84]. В сопряженной системе герметик - печатная плата с микросхемами эти условия осуществить невозможно. Фактически, деформация компаунда происходит несвободно из-за различия ТКР всех элементов, составляющих сопряженную систему [85]. Таким образом, при охлаждении или повышении температуры компаунда в нем возникают термические внутренние напряжения, увеличивающиеся по мере охлаждения или нагрева. В случае корпусной герметизации внутренние напряжения и термические деформации проявляются в виде трещин в компаунде и отслоений его от печатных плат с электрорадиокомпонентами. Температурные напряжения в компаундах обусловлены неравномерным распределением температур: если температура одинакова во всех точках компаунда, то температурные напряжения в нем не возникнут. При наличии

градиента температур одни слои расширяются больше, другие меньше. Менее нагретые слои препятствуют расширению слоев, нагретых до более высокой температуры, в результате чего в последних возникают температурные напряжения сжатия, а в менее нагретых слоях — напряжение растяжения. Для повышения стойкости к термоударам необходимо повышать механическую прочность и теплопроводность компаунда и одновременно снижать температурный коэффициент линейного расширения, модуль упругости, удельную теплоемкость и плотность компаунда [86].

Для получения герметичной, бездефектной микросборки в технологический маршрут была включена операция холодного отверждения эпоксидного компаунда. При отверждении при комнатной температуре уменьшаются внутренние напряжения, вследствие снижения перепада температур. Испытания показали, что в исходном состоянии контактное давление компаундов холодного отверждения меньше, чем давление компаундов горячего отверждения. Кривые температурной зависимости контактного давления компаундов холодного отверждения лежат ниже соответствующих кривых компаундов горючего отверждения. После дополнительного прогрева при увеличенной температуре контактное давление компаундов холодного отверждения увеличивается и кривые совмещаются.

В рамках диссертационной работы были проведены дополнительные лабораторные испытания, которые подтвердили, что холодное отверждение позволяет значительно улучшить качества компаундов. Результаты термоциклов на экспериментальных образцах с компаундом типа С представлены на рисунке 3.16.

Рисунок 3.16 - Стек печатных плат герметизированный режимом холодного отверждения компаундом типа С после исследований.

Исследование технологического режима формирования токопроводящего функционального покрытия.

Токопроводящее покрытие на поверхности микросборки может быть реализовано при помощи нескольких методов: химическим и гальваническим осаждением, методом напыления, а также методом трафаретной печати. В рамках диссертационной работы были исследованы методы трафаретной печати и электрохимический метод получения токопроводящего покрытия. Были проведены исследования параметров технологических операций и подобраны оптимальные режимы.

Для нанесения на микросборку функционального токопроводящего покрытия были исследованы несколько типов покрытий, а также необходимые составы никелирования. Также была рассчитана зависимость скорости нанесения никеля от времени воздействия раствора, для получения необходимой толщины покрытия. Качество нанесенных покрытий, их адгезия к материалам микросборки и толщина слоев контролировались при помощи растрового электронного микроскопа с фокусированным ионным пучком Helios NanoLab 650.

Выполнялся следующий перечень последовательных операций по нанесению токопроводящего покрытия: обезжиривание, травление эпоксидной смолы, очистка, обезвреживание, сенсибилизация, активация, никелирование [87]. Для увеличения скорости осаждения никеля можно использовать универсальные катализаторы. Применялись разные химические реактивы со специализированными добавками. Среди химических реактивов для гальваники [88] можно выделить: оксид хрома, ацетон, серная кислота, соляная кислота, хлорид олова, хлорид палладия, никель двухлористый,

U ^ 1 1 U U U

аммоний хлористый, гипофосфит натрия, никель сернокислый, натрий азотистокислый, аммиак водный и т.д. Для улучшения адгезии химического никеля необходимо травление компаунда, возможна обработка поверхности микросборки абразивом и снижение температуры никелирования [89].

В результате испытаний был сделан вывод о том, что растворы электролитов кислые не подходят, так как эпоксидный герметик в ней растворяется. Все остальные исследования проводились с использованием щелочных растворов, которые не требуют высоких температур. На рисунке 3.17 отображены фотографии покрытия, полученного

при помощи раствора, в состав которого вошел никель двухлористый, аммоний хлористый, гипофосфит натрия, аммиак водный.

а б в

Рисунок 3.17 - Фотографии функционального проводящего покрытия на разных стадиях процесса осаждения а) 40 минут б) 80 минут в) 120 минут

Для увеличения скорости осаждения никеля можно использовать различные универсальные катализаторы. Зависимость толщины осаждённого никеля от времени представлена на рисунке 3.18, экспериментально рассчитанная скорость никелирования составляет У=1,8-1,9 мкм/час

4 .0

3,5-

3,0-

я 2,5-

и

Я

■ 1—Г 2,0-

£

гп 1,5-

И

К

Э к 1.0-

о

И 0.5-

0,0 -

-0,5

О 20 40 60 60 100 120

Длительность, мин

Рисунок 3.18 - Зависимость толщины осаждённого никеля от времени

На рисунке 3.19 отображены фотографии покрытия полученного при помощи раствора, в состав которого вошел никель двухлористый, сульфат никеля, специальный

раствор ССКБ2. Плотность тока составляла 3 мА/см2 при длительности осаждения 40 мин. Поверхность равномерная без трещин (а). Толщина слоя N1 была дорощена за счет электрохимического осаждения.

а б

Рисунок 3.19 - Фотографии функционального проводящего покрытия на разных стадиях процесса осаждения а) 40 минут б) 80 минут

После корректировки раствора и добавления специальных активирующих добавок серии CCNFx были получены 3 образца с разными покрытиями, которые представлены на рисунке 3.20. Покрытие тестовых образцов: образец №1 (рисунок 3.20а) -химический никель, матовый; образец №2 - электрохимический никель (рисунок 3.20б), блестящий; образец №3 - химический никель и золото (рисунок 3.20в).

а б в

Рисунок 3.20 - Тестовые образцы №1 (а), №2(б), №3(в).

На рисунках 3.21-3.23 приведены результаты измерения толщины нанесенной металлизации и качества границы раздела для образцов до и после воздействия термоциклов.

Рисунок 3.21 - Образец № 1 Химический никель. Поверхность однородная, без

трещин, граница раздела четкая, без отслаивания.

Рисунок 3.22 - Образец № 2 Химический никель и электрохимический никель, блестящий. Поверхность однородная. Граница раздела четкая, без отслаивания.

Рисунок 3.23 - Образец № 3 Химический никель и золото. Поверхность однородная, без трещин. Граница раздела четкая, без отслаивания.

В рамках диссертационной работы был исследован и разработан технологический процесс нанесения функционального токопроводящего покрытия, химического никеля с защитным золотым покрытием. Оптимальный режим разработан для получения необходимой толщины (9-30мкм) и может быть использован для создания токопроводящего функционального покрытия микросборок. После подбора оптимальных электролитов было получено токопроводящее функциональное покрытие со следующими характеристиками:

— толщина основного слоя металлизация никеля 9-30мк;

— поверхность нанесенной металлизации однородная, без вздутий, без отслаивания;

— температурный диапазон рабочих температур минус 60 + 125 °С;

— сопротивление вертикальных токопроводящих проводников 0,04-0,090м.

В рамках диссертационной работы применен метод нанесения токопроводящего функционального покрытия при помощи трафаретной печати / напыления полимерных проводящих слоев с серебряным наполнителем. В этом методе используется проводящая паста на основе эпоксидной смолы, наполненной серебряными частицами (не менее 80%). Операции нанесения проводящей серебряной пасты проводятся при низкой температуре, поскольку эпоксидные полимеры не требуют нагрева для отвердения свыше 150-180°С. Это существенно снижает термическое воздействие на технологические подложки. Для нанесения полимерной пасты могут быть использованы специализированные высокотехнологические 3Б принтеры. Результаты исследований и полученных токопроводящих покрытий представлены на рисунке 3.24.

После подбора оптимального режима получено токопроводящее функциональное покрытие с содержанием серебра не менее 80% со следующими характеристиками:

— толщина основного слоя металлизация 10-50мк;

— поверхность нанесенной металлизации однородная, без вздутий, без отслаивания;

— температурный диапазон рабочих температур минус 60 + 125 °С;

— сопротивление вертикальных токопроводящих проводников 0,09-0,120м.

Рисунок 3.24 - Фотография токопроводящего функционального покрытия, полученного при помощи метода трафаретной печати

Для нанесения полимерной токопроводящей пасты также может применяться метод прямого нанесения топологического рисунка с помощью специализированного оборудования 3D печати. Например, фирмы Optomec , которая разрабатывает и производит установки аэрозольного нанесения паст на трехмерные объекты. В этих 3D принтерах фирмы Optomec используется технология Aerosol Jet позволяющая наносить широкий спектр материалов (полимеры, адгезивы, металлические полимерные суспензии) на самые различные трехмерные поверхности. Технология ориентирована для создания фрагментов микроэлектронных схем с размерами 10-100 мкм. Принцип технологии Aerosol Jet — в аэрозольном напылении материала на подложку. Исходный материал в контейнере (рисунок 3.25) превращается в мелкодисперсную аэрозольную взвесь (с размером капель 1-5 мкм) и подается в распылительную головку. При подаче аэрозоль может нагреваться. В распылительную головку также подается газовый поток, который направляет аэрозоль через форсунку в требуемую точку. Такой способ обеспечивает очень высокую точность нанесения — размер струи на подложке составляет примерно 1/10 от диаметра сопла форсунки. В результате возможно формирование объектов размером до 10 мкм.

Рисунок 3.25 - а) Принцип работы установки с технологией напыления Aerosol Jet

б) экструцер для напыления

Исследование технологического режима формирования топологии межстековой коммутации

Для формирования на поверхности 3 Б микросборок топологии межстековой коммутации использовался метод лазерной абляции. Лазерная абляция - наиболее эффективный метод удаления металлического покрытия с поверхностей 3Б микросборок, благодаря высокой скорости нагрева и скорости. В рамках диссертационной работы были исследованы режимы работы лазера (энергия и длительность импульса, длина волны).

При проведении лазерной микрообработки материала предпочтительно использование лазера с наиболее короткой длительностью импульса излучения, измеряемой единицами наносекунд. Задача стояла в проведении лазерной абляции на экспериментальных образцах с металлическим покрытием. Сложность реализации лазерной абляции заключалась в различной восприимчивости материалов диэлектрика и металла к лазерному лучу, а также их разные свойства, в первую очередь -теплостойкость. В данном случае, необходимо было подобрать такие параметры лазерного излучения, чтобы обеспечить эффективное удаление металла с поверхности с минимизацией теплового воздействия на материал подложки. Избыток мощности излучения мог привести к разрушению подложки, а ее недостаток к недостаточному удалению металлического покрытия, замещению процесса абляции процессом расплава металлического слоя, процессу расплава над испарением.

Для получения более качественного процесса абляции и минимизации теплового воздействия вглубь образца необходимо уменьшить длительность импульса лазерного луча. При этом общая скорость обработки материала будет зависеть от суммы параметров длительности импульса и частоты воздействия лазерной установки. Для реализации и отладки процесса абляции использовалась лазерная установка с наносекундным лазерным излучателем.

На рисунке 3.26 представлены результаты лазерной абляции при разных режимах работы лазера. На рисунке 3.26а представлен полученный результат с параметрами 20Вт, частота 10кГц, длительность импульса 300нс. На рисунке 3.26б представлен полученный результат с параметрами 20Вт, частота 20кГц, длительность импульса 200нс. На рисунке 3.26в представлен полученный результат с параметрами 15Вт, частота 10кГц, длительность импульса 100нс. После лабораторных испытаний был получен оптимальный режим (рисунок 3.26г) с параметрами 15Вт, частота 20кГц, длительность импульса 100нс.

а) б) в) г)

Рисунок 3.26 - Отладка режимов лазерной абляции

3.2 Разработка микросборки силовых ключей

В рамках диссертационной работы разработан и изготовлен опытный образец

и /™ и и и

трехмерной объемной микросборки силовых ключей, состоящей из двух технологических подложек. Микросборка применяется в БЭГ и может коммутировать силовые линии исполнительных устройств (например электромагнитные газовые клапаны, устройства для сигнализации об утечки газа). 3Б микросборка имеет следующие технические характеристики: 8 коммутируемых силовых линий коммутации до 100В, параллельный цифровой интерфейс управления, диапазон рабочих температур от минус 60 до + 120°С, сопротивление открытого ключа не более 0,15м0м, время задержки включения канала не более 50мкс. В состав трехмерной микросборки силовых ключей входят: управляющие интегральные схемы (УИС), силовые полупроводниковые транзисторы, миниатюрные трансформаторы, радиатор. Структура микросборки [90] представлена на рисунке 3.27.

Рисунок 3.27 - Внутренняя структура микросборки силовых ключей

В конструкции микросборки на первой технологической подложке расположены силовые транзисторы, на второй технологической подложке расположена схема управления [91]. Стек технологических подложек герметизируется изолирующим теплопроводящим герметиком, обеспечивающим механическую прочность сборной конструкции, ее конечную форму и для формирования на боковых поверхности микросборки топологии проводников межсоединений. Для обеспечения эффективного

отвода тепла, микросборка устанавливается на металлическое основание с помощью теплопроводящей пасты.

Конструктивно-схемотехническое решение микросборки силовых ключей предлагает использование МОП транзисторов и дополнительной схемы, которая повышает надежность системы. На рисунке 3.28 приведена часть схемы реализации силового ключа с повышенной надежностью от ложного включения при подаче питания на СБИС, поскольку управляющие вывода портов находятся в неопределенном состоянии в момент нарастания питающего напряжения. Использование трансформатора для гальванической развязки и в качестве управляющего напряжения на ключе позволяет наращивать данную цепочку до необходимого числа звеньев, что, однако, кратно увеличивает сопротивление канала и соответственно выделяемую на ключах мощность [91].

Рисунок 3.28 -

Схема силового ключа повышенной надежности

Принципиальным здесь является возможность генерации ЭДС во вторичной обмотке трансформатора, достаточной для открытия МОП ключа. При этом нет необходимости заводить силовое питание на сам модуль, тем самым сокращая число терминалов до двух. Принцип управления тоже меняется - управление становится динамическим, что исключает ложные срабатывания и «залипания» при любых отказах

схемы управления. Частоту управления можно увеличить до нескольких мегагерц, что позволит уменьшить размер трансформатора до минимально возможных. Схема ключа, показанная на рисунке 3.28, использует однополупериодный выпрямитель для статического управления транзистором. Если необходим импульсный режим работы ключей - конденсатор можно не использовать.

На технологической подложке, которая содержит схему управления, используются специализированные УИС. УИС предназначены для формирования сигналов управления ключами в соответствии с временной диаграммой работы гальванической развязки и логикой выработки последовательности коммутации выходных каналов. Запись команды управления осуществляется путем подачи информационного слова на входы микросхемы. После записи команды на соответствующих выходах ИУС - формируется сетка частот, необходимая для создания импульсов тока в первичных обмотках трансформаторов. При этом во вторичных обмотках наводится ЭДС, необходимая для создания отпирающего напряжения на затворах соответствующих ключей. Обмотки включены таким образом, чтобы полупериоды частотной сетки приходили в противофазе и складывались на диодном выпрямителе, формируя постоянное напряжение с малым уровнем пульсации.

Микросборка состоит из 2 технологических подложек - платы управления (рисунок 3.29а) и платы силовых ключей (рисунок 3.29б).

а) б)

Рисунок 3.29 - а) платы управления для макетов микросборки б) платы силовых

ключей

Для обеспечения эффективного отвода тепла, опытный образец микросборки силовых ключей имеет металлическое основание - радиатор [92]. Микросборка предназначена для непосредственного монтажа на печатную плату в блок управления, с помощью боковых креплений и последующей пайки штыревых выводов. Выделяемая мощность на силовых транзисторах является важным фактором, влияющим как на надежность изделия, так и на его конструктивное исполнение [93]. Более того, отвод тепла может наложить определенные ограничения на применяемые технологии при изготовлении модуля [94-97].

После полного монтажа всех компонентов на печатные платы управления и силовых ключей происходит их отмывка. Отмывка применяется для удаления остатков флюса, паяльной пасты, припоя и другие частиц, появляющиеся в результате других производственных процессов. После данной операции проводится визуальный контроль и проверка электрических характеристик с использование зондовых станций и контрольно-измерительной аппаратуры (источник питания, программируемая нагрузка, программаторы, осциллограф и т.д.).

Далее производится сборка технологических подложек стек с использованием специализированной оснастки (рисунок 3.30), спроектированной для герметизации многоуровневой сборки эпоксидным компаундом. Герметизация технологических подложек проводится с использованием вакуумного миксера, вакуумной сушильной печи, ручного или автоматизированного дозатора эпоксидного герметика.

Рисунок 3.30 - Сборка технологических подложек в стек с использованием

специализированной оснастки

После технологических операций по герметизации и сушке в специализированной технологической оснастке, заготовка вынимается из формы (рисунок 3.31).

Рисунок 3.31 - Заготовка микросборки после герметизации микросборки

После получения заготовки микросборки лишние части герметика отрезаются на прецизионном отрезном станке / фрезерном станке. После этой технологической операции получается микросборка нужной формы. При этом операция позволяет «оголить» на боковой поверхности микросборки металлизированные контактные площадки, предназначенные для нанесения токопроводящего функционального покрытия (рисунок 3.32). После этого проводится очистка микросборки от загрязнений при помощи специализированных установок. Затем наносится токопроводящее функциональное покрытие требуемой толщины.

Для формирования на поверхности микросборки межстековых вертикальных токопроводящих проводников использовался метод лазерной абляции. Для реализации процесса абляции использовалась лазерная установка с наносекундным лазерным излучателем, а также специализированная технологическая оснастка, которая вращает образец микросборки в рабочем поле. Фотография микросборки силовых ключей, которая применяется в БЭГ с сформированной топологией представлена на рисунке 3.33.

Рисунок 3.32 - Металлизированные контактные площадки на поверхности

микросборки

Рисунок 3.33 - Изготовленная микросборка силовых ключей

В приложении А представлено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ - Программа микроконтроллера для управления режимами работы микросборки интеллектуальных силовых ключей.

3.3 Разработка микросборки приемопередатчика

В рамках диссертационной работы разработан и изготовлен опытный образец трехмерной объемной микросборки приемопередатчика, состоящей из двух

технологических подложек. Микросборка применяется в БЭГ в качестве основного приемопередатчика и позволяет устройству работать с беспроводными протоколами ZigBee, Bluetooth 5 low energy, 6LowPAN, Thread. Дополнительные функции микросборки позволяют ее использовать в качестве небольшого накопителя информации. Внутренняя структура микросборки представлена на рисунке 3.34. В состав разработанных образцов вошли: 32-разрядный микроконтроллер серии STM32F100 (ST Microelectronics), два малопотребляющих регулятора напряжения на 3,3 В и 1,8 В, 3 NOR флэш-памяти 64 Мбит, приемопередатчик серии CC265x (Texas Instruments) [98-100] в корпусе VQFN-48.

Приемопередатчик

I

M икроконтроллер

Блок регуляторов

напряжения

> г

Флэш- память

Флэш- память

А :

\

Флэш- память

Рисунок 3.34 -

Внутренняя структура микросборки приемопередатчика

В конструкции микросборки на первой технологической подложке (рисунок 3.35) расположены микросхемы микроконтроллера и приемопередатчика с внешними радиокомпонентами и РЧ разъемом. На второй технологической подложке (рисунок 3.35) расположены малопотребляющие регуляторы напряжения и флэш-память.

Рисунок 3.35 - Изготовленные технологические подложки микросборки