Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ тенденций развития и методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных преобразователей 9
1.1. Перспективы развития микроэлектронных датчиков 9
1.2. Обзор методов проектирования преобразователей 12
Выводы по первой главе 24
Глава 2. Блочно-иерархическая модель физического принципа действия преобразовательного элемента 25
2.1 Основные положения теории энерго-информационных моделей цепей 25
2.2 Обобщенная иерархическая модель преобразовательного элемента 30
2.3. Классификация блоков и величин 34
2.4. Аналитическая интерпретация ФПД преобразовательного элемента 35
2.4.1. Параметры модели ФПД преобразовательного элемента в виде блока 35
2.4.2. Расчетные соотношения для определения критериев выбора, отождествляемых с эксплуатационными характеристиками 39
2.5. Паспорт блока 57
Выводы по второй главе 58
Глава 3. Синтез физического принципа действия многофункциональных преобразователей 59
3.1.Синтез вариантов физического принципа действия многофункциональных преобразователей 59
3.2. Оптимизация ФПД новых технических решений 60
3.3. Описание программы расчета эксплуатационных характеристик элементов преобразователей сложной структуры 65
3.4. Описание автоматизированной системы синтеза новых технических решений 74
Выводы по третьей главе 75
Глава 4. Практическая реализация разработанных научных положений на примере микроэлектронных датчиков параметров движения 76
4.1. Классификация методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения 76
4.2. Автоматизированный синтез вариантов физического принципа действия многофункциональных микроэлектронных преобразователей 83
4.2.1. Заполнение базы данных 83
4.2.2. Задание на синтез физического принципа действия многофункционального преобразователя 91
Выводы по четвертой главе 100
Основные выводы и заключение 102
Библиографический список использованной литературы
- Обзор методов проектирования преобразователей
- Обобщенная иерархическая модель преобразовательного элемента
- Оптимизация ФПД новых технических решений
- Автоматизированный синтез вариантов физического принципа действия многофункциональных микроэлектронных преобразователей
Введение к работе
Экономическое благосостояние страны, ее динамичное развитие базируется прежде всего на наукоемких технологиях. И первое место среди них занимают информационные технологии и полупроводниковая электроника [3]. Без полупроводниковых электронных компонент Россия не может ни быть современной державой, ни развивать практически все наукоемкие технологии. Сегодня четко прослеживаются факторы, определяющие необходимость проектирования и производства изделий микроэлектроники:
применение современных электронных изделий, средств и систем для модернизации действующего и создания современного технологического базиса развития приборо- и аппаратостроения;
модернизация систем управления и коммуникаций;
совершенствование энергосберегающих технологий;
повышение уровня автоматизации производств;
национальная безопасность - совершенствование специальной техники и вооружений.
Именно эта отрасль промышленности является движителем научно-технического прогресса стран. Последние достижения микроэлектроники представлены широким спектром электронных компонентов для разработок и опытного производства. К числу таких компонентов относятся преобразователи, занимающие особую нишу среди различных направлений микроэлектронных разработок.
Широкая автоматизация самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту в значительной мере определяется возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе, т.е. возможностями датчиков. Датчики, преобразуя измерительный параметр в выходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являются как бы органами чувств современной техники.
Использование систем датчиков, отвечающих современным требованиям, в космической отрасли промышленности особенно актуально, т.к. космическая деятельность занимает особое место в обеспечении национальных интересов России и является одним из важнейших факторов, определяющих ее статус как великой державы, что подтверждается Федеральной космической программой, рядом целевых программ по отдельным направлениям использования космических средств (например, ФЦП «Глонасс») и космической инфраструктуры (ФЦП «Развитие российских космодромов»). Необходимость поддержания высокой надежности и безаварийности сложных технических систем вынуждает разработчиков увеличивать число контролируемых параметров и, как следствие, применять множество разнообразных датчиков физических величин. На летательных
5 космических и авиационных аппаратах число датчиков составляет от 250 до 2000 в зависимости от типа объекта [11]. Например, на многоразовой космической системе «Буран» использовалось до 3000 датчиков. Такое количество датчиков можно резко сократить, заменив их на многофункциональные.
Таким образом, актуальной становится задача создания многофункциональных датчиков, измеряющих одновременно несколько параметров. За рубежом высокими темпами ведется разработка и внедрение в военную технику многофункциональных датчиков. На их создание нацелены программы DARPA SensIT и Argus, отвечающие новой концепции развития разведывательных систем ВВС США. Научно-технические заделы по разработке многофункциональных датчиков есть и в России [15], в том числе, в вузах [36].
Разработка конструкции микроэлектронного преобразователя и доведение его до серийных образцов непростая задача. При разработке датчиков ученые и инженеры сталкиваются с рядом трудностей. На начальном этапе проектирования имеется выбор траекторий развития конструкции или технологии [37]. Проектировщики всегда вынуждены считать реальным то, что существует лишь в воображаемом будущем, но эти представления должны опираться на научные знания, а также на знания требований к проектируемому объекту и условий его применения. Это делает более целенаправленным выбор проектного решения. При недостаточности знаний результат может быть отрицательным, или же при хорошем функциональном эффекте в будущем выявляются отрицательные побочные эффекты.
Условием для получения требуемого качества и конкурентоспособности произведенных преобразователей является эффективность научного исследования. Для повышения эффективности фундаментальных исследований и разработок по созданию теоретических и практических основ (принципов действия) новых поколений датчиков, необходимо применение интенсивной технологии инженерного творчества, основанной на использовании методов поиска новых идей и решений.
По оценкам специалистов, в настоящее время разработано свыше пятидесяти, а с учетом частных методик — несколько сотен методов поиска решений изобретательских задач. Разработки более эффективных методов поиска новых технических решений интенсивно продолжаются, при этом прослеживаются три основных направления разработок: создание принципиально новых методов, создание новых методов на основе комбинации известных и увеличение эффективности известных методов. Из множества методов совершенствования творческой, технической деятельности наиболее эффективными, а потому широко используемыми на практике, являются: метод морфологического ящика (автор - швейцарский астроном Ф.Цвики, 1942), метод матриц
открытия (автор - французский ученый А.Моль, 1955), метод фантограмм Г.С. Альтшуллера, метод комбинаторики (автор - советский инженер Ю.М. Чяпяле), метод ступенчатого подхода к решению задачи (автор - английский ученый А.Фрейзер, 1969), программа проектирования Фанге, процесс конструирования по Байтцу (западногерманский исследователь), алгоритмический избирательный метод конструирования по каталогам (предложен немецким исследователем К.Ротом), системное конструирование по Ханзену (немецкий исследователь, 1953), методическое конструирование по Роденакеру (ФРГ), синтез изделий по Тьялве (Дания), метод конструирования Коллера (ФРГ), вепольный анализ (авторы - Г.С. Альтшуллер, И.Б. Фликштейн, А.Г. Шахматов, 1974), энергоинформационный метод и аппарат параметрических структурных схем (авторы - М.Ф.Зарипов, И.Ю.Петрова).
Наибольшая степень формализации задачи и унификация представления информации о различных классах физических явлений достигается в энергоинформационном методе.
Однако, в связи с постоянным усложнением технических систем, он уже не позволяет достаточно эффективно решить современные задачи поискового конструирования. В условиях постоянно возрастающих требований к эксплуатационным характеристикам и усложнения схемотехнической реализации проектируемых преобразователей возникают задачи, которые принципиально невозможно решить с помощью существующих поисковых систем, основанных на теории ЭИМЦ. В частности, это относится к проектированию многофункциональных датчиков, измеряющих одновременно несколько параметров. Поэтому выявлена необходимость проведения научного исследования для дальнейшего развития теории ЭИМЦ и разработки более эффективного, по сравнению с существующим, подхода к синтезу новых технических решений, и создание на его основе математического, алгоритмического и программного обеспечения.
Целью диссертационной работы является разработка моделей, алгоритмов и комплекса программ для синтеза физического принципа действия многофункциональных преобразователей.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе осуществляется решение следующих задач:
Разработка обобщенной иерархической модели ФПД преобразовательного элемента.
Разработка математических моделей преобразователей параметров движения и их элементов на основе обобщенной иерархической модели.
Разработка иерархического макета паспорта преобразовательного элемента.
Разработка алгоритмов и комплекса программ для расчета выходных параметров преобразовательного элемента по обобщенной иерархической модели и синтеза ФПД многофункциональных преобразователей.
Проведение ретроспективного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения путем патентных исследований глубиной 5 лет.
Синтез ФПД многофункционального преобразователя с улучшенными эксплуатационными характеристиками на основе вышеуказанных моделей. Научная новизна:
Разработана обобщенная иерархическая модель преобразовательного элемента в виде блока, которая за счет реализации заложенного в ней принципа фрактальности предлагает универсальный механизм расчета эксплуатационных характеристик преобразовательного элемента.
Разработаны математические модели микроэлектронного тензорезисторного датчика деформации, интегрального микромеханического акселерометра-клинометра и их элементов, включающие описание их ФПД в виде формализованной иерархической структуры, значения эксплуатационных характеристик базовых элементов и полученные на основе специфических областей знаний и энергоинформационного метода математические зависимости для определения значений эксплуатационных характеристик всех структурных элементов модели.
Разработан иерархический макет паспорта преобразовательного элемента для формализованного представления в виде иерархической структуры его ФПД, являющийся первичным документом для ввода информации в базу данных.
Результаты анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения.
Практическая ценность работы:
На основе обобщенной иерархической модели созданы алгоритмы, комплекс программ для расчета выходных параметров преобразовательного элемента и синтеза ФПД многофункциональных преобразователей.
На основе использования результатов проведенного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения, разработанных математических моделей и паспортов преобразователей синтезирован многофункциональный датчик «Интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр», имеющий более высокую чувствительность по сравнению с прототипом.
Результаты научных разработок внедрены в «Астрахань НИИПИГАЗ» и позволили повысить качество и производительность проектирования. Предложенные модели используются в учебном процессе вуза при преподавании дисциплин, связанных с изучением измерительных преобразователей.
В , первой главе выполнен анализ состояния, направлений исследований микроэлектронных преобразователей, обоснована актуальность задачи проектирования многофункциональных датчиков, измеряющих одновременно несколько параметров. Проведен обзор методов поиска принципов действия технических систем. Полученные результаты свидетельствуют о том, что наиболее эффективным является энергоинформационный метод. Однако автоматизированный синтез новых технических решений на базе энергоинформационного метода формирует только последовательную структуру цепей, что значительно ограничивает область поиска ФПД технического устройства, в частности, не позволяет синтезировать ФПД многофункциональных датчиков нового поколения. В связи с этим, встает вопрос о синтезе цепей ФПД технических устройств разветвленной структуры.
Таким образом, выявлена необходимость проведения научного исследования для разработки более эффективного по сравнению с существующим подхода к синтезу новых технических решений, и создание на его основе математического, алгоритмического и программного обеспечения.
Во второй главе приведено описание разработанной обобщенной иерархической модели физического принципа действия преобразовательного элемента в виде блока, предложена формализованная структура входной информации о блоке в виде иерархического паспорта преобразовательного элемента.
В третьей главе описаны разработанные алгоритмы синтеза физического принципа действия многофункциональных преобразователей, расчета критериев блока, отождествляемых с эксплуатационными характеристиками, приводится описание комплекса программ, созданных на основе разработанных моделей и алгоритмов.
В четвертой главе на основе анализа патентной и научно-технической литературы определена область реализации разработанных теоретических положений и показана конкретизация обобщенной иерархической модели применительно к данной области -микроэлектронным датчикам параметров движения.
Обзор методов проектирования преобразователей
Условием для получения требуемого качества и конкурентоспособности произведенных преобразователей является эффективность методов их проектирования. По мере усложнения решаемых технических задач главенствующей задачей при создании надёжных преобразователей является поиск и разработка новых эффективных принципов действия. Исследованием методов поиска физических принципов действия технических систем занимались многие отечественные (Г.С. Альтшуллер, М.Ф. Зарипов, И.Ю, Петрова, В.Н.Глазунов, А.И. Половинкин, В.А. Камаев, С.А. Фоменков, К.В. Кумунжиева, Н.И. Кузьмина, Ю.Б. Никитина, З.М. Шмаков) и иностранные (Р.Коллер, Р. Франке, В.Г. Роденакер, Г.Пресс, П. Крумхауэр, Г. Голл, В. Бейтц, К.Ф. Хикс, Р.П. Аллея) ученые. Внедрение в практику датчиков, созданных на новых принципах действия, требует нового мышления, ухода от стереотипных конструкций преобразователей. Все большее значение приобретает методология научного и инженерного творчества.
Для интенсификации технологии творческой деятельности, инженеру необходимо владеть разнообразньм инструментарием мыслительного процесса, основу которого составляют методы поиска новых идей и решений. Существует множество методов поиска и генерации идей. Каждый из методов имеет целью облегчить поиск решения задачи инженерного творчества по сравнению с традиционными методами (интуиция, «метод проб и ошибок»), которые требуют значительных затрат и имеют непредсказуемые по времени и качеству результаты. По этой причине специалисты нередко ограничиваются генерацией и разработкой всего лишь 2-3 идей (часто далеко не лучших), что приводит к созданию неконкурентоспособных технологий, техники, изделий и в целом - к большим потерям.
Например, по оценке экспертов General Motors, цена ошибки в 1$ на стадии концептуального проектирования (определяющей качественные параметры объекта) увеличивается при запуске в производство серии в 100 тыс. раз. В этой связи справедливо и утверждение признанного в мире ученого П. Хилла: «Для одного удачного выбора необходимо иметь не менее 60 альтернатив».
Проведение детального анализа как можно большего числа вариантов, необходимость учета труднообозримого множества различных факторов при разработке технической системы, возможность использования формальных представлений там, где заканчивается интуитивное мышление, стремление к повышению эффективности разработок и росту производительности труда конструктора требуют изучения и применения методов поиска новых идей и решений. На практике всю совокупность методов поиска физических принципов действия технических систем можно разбить на две группы: 1) эвристические; 2) расчет и эксперименты [41].
Методы первой группы направлены на активизацию использования интуиции и опыта специалистов. Они основаны на выявлении и обобщении мнений опытных специалистов-экспертов, использовании их опыта и нетрадиционных подходов к анализу включают: метод "Мозговой атаки", метод типа "сценариев", метод экспертных оценок, метод типа "Дельфи", методы типа "дерева целей", "деловой игры", морфологические методы и ряд других методов.
Вторая группа - методы формализованного представления технических систем, основанные на использовании математических, экономико-математических методов и моделей исследования систем. Это узко специализированные методы, применяемые на более поздних этапах конструирования для расчета выходных характеристик преобразователей.
В настоящее время разработан и опробован целый ряд различных методик обследования и формализованного представления технических систем. Они, как правило, существенно отличаются одна от другой и соответствуют разной глубине исследования и поставленным целям. Из множества методов совершенствования творческой, технической деятельности рассмотрим наиболее эффективные, а потому широко используемые на практике. Метод морфологического ящика разработан в 1942 г. швейцарским астрономом Ф. Цвикки [99]. Ему же принадлежит ряд методов морфологического исследования, из которых метод морфологического ящика является наиболее разработанным и широко применяемым. Основная его цель состоит в построении всех возможных вариантов реализации исследуемого объекта, как правило, для определения возможных границ его изменения. При этом процедуры выбора решений из полученного массива не разработаны, что является существенным недостатком метода. Метод морфологического ящика находит применение на стадии реализации выбранного направления решения проблемы в то время, когда конкретное техническое средство окончательно еще не выбрано. Метод используют также при прогнозировании развития технических систем, в работе экспертов, определяющих новизну технических решений.
Метод морфологического ящика послужил основой для многих методов поиска, появившихся впоследствии в различных странах. Метод матриц открытия близок к известному морфологическому методу Ф. Цвикки, но имеет свои специфические особенности. Этот метод разработан в 1955 г. во Франции. Его автор А. Моль [95]. Как и Ф. Цвикки, А. Моль преследует цель систематически исследовать все мыслимые варианты, вытекающие из закономерностей строения (морфологии) усовершенствуемого объекта и изучения поля возможных технических решений. Но метод А. Моля дает возможность гораздо проще ограничить рассматриваемые варианты приемлемым их числом. В наиболее простом виде суть метода матриц открытия заключается в построении матрицы, в которой пересекаются два ряда характеристик (вертикальный и горизонтальный). Ряды могут быть упорядоченными и неупорядоченными, выражены количественно и качественно. Если в морфологическом ящике все выбранные характеристики относятся к объекту, то у А. Моля часть из них может относиться, например, к условиям производства, потребления, эксплуатации и т. п.
Сам по себе метод матриц открытия не дает сколько-нибудь законченных технических решений. Комбинация двух характеристик может быть решением лишь очень простых задач. Чаще всего этот метод служит для системной организации имеющегося материала и дает отправные пункты для дальнейшего исследования, определяя имеющиеся резервы и узкие места. Комбинации характеристик дают простор для плодотворных ассоциаций, постановки проблем. А. Моль считает, что метод матриц открытия является всеобщим, приемлемым во всех областях познания и деятельности. Наибольшие практические результаты от его применения получены при разработке новых видов продукции. Следует отметить, что похожие методы были разработаны отечественными исследователями, например, метод десятичных матриц поиска Р.П. Повилейко [50] и метод фантограмм Г. С. Альтшуллера [4].
Дальнейшее свое развитие метод морфологического анализа Ф. Цвикки нашел в методе комбинаторики отечественного инженера Ю. М. Чяпяле [72]. Основная новизна метода комбинаторики в широком использовании законов и методов, применяемых для поиска сочетаний. В этом методе дан новый подход к анализу объекта. Ключевыми моментами подхода являются введенные оси: а) понятие рабочего органа; б) понятие рабочей среды; в) учет агрегатного состояния объекта (его частей) и среды; г) признак геометрической формы рабочего органа; д) признаки структуры рабочего органа (взаимное расположение частей, подвижность частей); е) признаки взаимной связи частей рабочего органа на макро- и микроуровнях.
При комбинаторном синтезе используют перечень идей усовершенствуемого объекта. Цель применения метода комбинаторики та же, что и метода морфологического анализа, т. е. поиск широкой области исследования. Автор метода указывает, что решения, найденные в матрице, легче описать с помощью формул изобретений, так как в них есть основные составные части, необходимые в таком описании. При построении комбинаторной матрицы в ней выделяют графы для составных частей рабочего органа. Рабочая среда также входит в рассмотрение как составной элемент рабочего органа. Затем описывают агрегатное состояние, характеристики материала рабочего органа, его геометрические формы, структуры, комбинации подвижных и неподвижных частей, взаимосвязи частей рабочего органа.
Обобщенная иерархическая модель преобразовательного элемента
На основе анализа эволюции систем и с помощью известных законов развития технических систем установлено, что применение иерархических структур - это единственный путь увеличения эффективности, надежности и устойчивости в системах средней и большой сложности. Так как любая система может быть представлена в виде совокупности иерархических уровней, предложено в качестве элементов синтеза использовать не только элементарные звенья, как это принято в теории ЭИМЦ, но и готовые фрагменты цепей сложной структуры, представленные в виде блока, как многоуровневой системы элементов.
Для реализации предложенного подхода необходимо создание модели преобразовательного элемента, которая позволяла бы делать его сквозное описание и механизмов ее использования при синтезе новых технических решений [43].
Для решения проблемы предложено в качестве элементов синтеза, в отличие от энергоинформационного метода, использовать не только элементарные звенья, но и составные структурные элементы в виде блоков. Использование блоков при синтезе новых технических решений позволит максимально упростить структуру их соединений в схемах ФПД технических устройств, что имеет важное практическое значение.
Для реализации такого подхода введено понятие блока. Под блоком будем понимать элемент технической системы, описывающий преобразование заданного начального входного воздействия в заданный конечный результат (выход). В основе разрабатываемой модели блока заложены три базовых принципа: -принцип иерархичности означает структурирование информации об объекте по степени детальности описаний; -принцип декомпозиции — разбиение представлений каждого уровня на ряд составных частей (блоков); - фрактальности - описание системы на разных уровнях иерархии с помощью одних и тех же законов. Блок имеет многоуровневую иерархическую структуру.
Декомпозиция продолжается до тех пор, пока дальнейшая детализация блоков не станет невозможной или нецелесообразной для решения конкретной задачи. Неделимые элементы последнего уровня декомпозиции, представляющие собой элементарные звенья, описанные теорией ЭИМЦ, образуют микроуровень и называются базовыми. Микроуровень образуют параметры (отражают преобразования различных величин одной физической природы), ФТЭ (отражают преобразования различных величин разной физической природы) и дополнительные звенья (отражают процессы взаимодействия нескольких величин одинаковой физической природы и размерности). Это звенья операций суммирования или вычитания, умножения и деления, и суммирование постоянной и переменной составляющих параметра.
Использование принципа фрактальности при построении блока обеспечивает инвариантность его описания к изменению масштаба. Механизм формирования блока как фрактальной структуры заключается в многократном воспроизведении «шаблонных» форм на каждом уровне иерархии с их постоянным наложением друг на друга. «Шаблонные» формы соединений элементов блока должны выбираться из некоторого конечного множества элементарных типовых соединений S, сочетание которых позволяет получить любую сложную структуру. Структура блока формируется только на основе типовых элементов множества S.
Необходимо выделить активные (изменяемые) и пассивные (неизменяемые, но участвующие в преобразовании) объекты. Как правило, величины являются активными, а параметры и ФТЭ — пассивными. Однако, существуют ФТЭ, в которых изменяется не выходная величина, а параметр, т.е. параметр является активным. Для измерения таких параметров, их используют для преобразований вспомогательных специально генерируемых величин. Вспомогательная входная величина не изменяется под воздействием измеряемых факторов, поэтому является пассивной. Однако, ее значения могут быть подобраны для получения требуемого значения выходной величины и в соответствии с диапазоном изменения параметра. Выходная же величина изменяется за счет изменения параметра.
В данной работе в качестве объекта моделирования Р выступает физический принцип действия преобразовательного элемента. Под физическим принципом действия понимается совокупность взаимосвязанных технических реализаций физических явлений (эффектов), обеспечивающих преобразование заданных входных величин в заданные выходные величины.
Расчетные соотношения для определения погрешности, чувствительности, диапазона изменения зависят от вида соединения, правила для расчета остальных характеристик инвариантны к структуре цепи (2.16, 2.17). Поэтому далее приведены выводы именно для первой группы характеристик.
Оптимизация ФПД новых технических решений
Рассмотрим процесс выбора наиболее оптимальных из множества синтезированных вариантов ФПД. Традиционно принято различать методы решения задач однокритериальной и многокритериальной оптимизации [8, 9, 13, 16, 44]. Последние особенно актуальны при исследовательском проектировании, поскольку позволяют исследовать характеристики преобразователя при различных весовых коэффициентах, а также при синтезе ФЭ. Кроме того, информацию, полученную в результате решения задачи многокритериальной оптимизации, можно в дальнейшем использовать для обоснованного выбора ограничений.
Выбор того или иного метода должен быть согласован с конкретными условиями и ограничениями, вытекающими из специфики решаемой задачи оптимизации. Усечение множества альтернатив ФПД Решение задачи выбора оптимального решения целесообразно проводить поэтапно. На первом этапе на множестве альтернативных вариантов ФПД R определяем множество допустимых решений RR. Решение назовем допустимым, если оно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к объекту на метауровне. При этом і?д. Rt т.е. множество Ra есть часть или совпадает с множеством R возможных решений.
На втором этапе в множестве допустимых решений і?д выделим множество эффективных решений R3, которое включает в себя несравнимые между собой наилучшие решения: Rd і?д. Решение і?3 является оптимальным, если оно обеспечивает экстремум (максимум, минимум) одновременно всех критериев. Оптимальное решение R0 находится в множестве эффективных решений и определяется на третьем этапе: R0. R3. Поскольку все критерии одновременно не могут принять экстремальные значения, то при решении многокритериальной задачи находят только рациональное решение. Таким образом, задача оптимизации направлена на определение наилучшего (рационального) решения, путем последовательного сужения множеств R, Лд, R3 в соответствии с установленными ограничениями и принятыми критериями: R0 R3 RR R. Рассмотрим каждый этап более подробно. Ограничения, налагаемые на метауровне, позволяют сократить количество получаемых вариантов ФПД за счет исключения из рассмотрения заведомо непригодных решений, и, соответственно, уменьшить время на оптимизацию. Критериями сужения пространства поиска являются: запрет на повторяемость простого блока в цепочке в качестве самостоятельной единицы синтеза, исключение из синтеза цепей определенной физической природы, ограничение на количество блоков в цепочке, учет диапазона изменения входной величины синтезируемого устройства.
Если раннее диапазон изменения использовался только для сужения области поиска новых технических решений (позволяет исключить несовместимые блоки и определять область совмещения диапазонов изменения величин всех остальных блоков в синтезируемых конструкциях [84]), то теперь он участвует и в следующих этапах оптимизации. С этой целью введены показатели (2.129-2.132), позволившие проводить сравнительный анализ диапазонов измерения и выбирать лучшее решение.
Одним из ограничений, налагаемых в теории ЭИМЦ, является запрет на повторное использование ФТЭ в одной цепочке, т.к. многократное применение элемента с одинаковым входом и выходом может привести к зацикливанию процесса.
При синтезе разветвленных структур цепей допустимо участие блоков, имеющих одинаковые входные и выходные величины. Эти блоки являются составными и при декомпозиции отличаются глубиной вложенности и протеканием процессов различной физической природы. В тех случаях, когда проектируемое устройство состоит из нескольких взаимосвязанных блоков, оптимальность всего устройства определяется эффективностью и качеством его отдельных частей. Наличие нескольких блоков-претендентов позволяет проводить в процессе синтеза промежуточную оптимизацию и выбрать более предпочтительный по совокупности эксплуатационных характеристик блок. Промежуточная оптимизация является механизмом последовательного улучшения синтезируемых вариантов ФПД и отсечения заведомо худших вариантов.
Т.к. проектируемое устройство определяется многими критериями, причем существенными и несравнимыми, то промежуточная и последующая оптимизация синтезированных вариантов ФПД устройства проводится посредством методов многокритериального выбора.
Для облегчения процесса выбора, исследуемые варианты оцениваются количественно и качественно. Количественное измерение важности и предпочтительности вариантов решений выполняется методом ранжирования. Ранжирование - это процедура упорядочения. При ранжировании варианты решений расставляются в порядке предпочтения по отношению к каждому критерию. Если среди вариантов нет эквивалентных (равнозначных) решений, то из них можно составить последовательность х\ хг з ... х„..., где вариант х\. более предпочтителен из всех вариантов; вариант хг менее предпочтителен JCI, но предпочтительнее всех остальных и т.д. Это отношение можно записать отношением чисел г\ гг гт, ... гт.
Если наиболее предпочтительному варианту присвоить число 1, то получим числовую последовательность 1 2 3 ... т. Числа 1, 2, Ъ,...т называют рангами. При ранжировании наиболее предпочтительному варианту присваивается ранг, равный единице, второму по предпочтительности - ранг, равный двум и т.д. Для эквивалентных вариантов назначаются одинаковые ранги.
Автоматизированный синтез вариантов физического принципа действия многофункциональных микроэлектронных преобразователей
По результатам проведенной классификации микроэлектронных датчиков параметров движения выполнен анализ их физических принципов действия, разработаны ПСС, блочно-иерархические модели ФПД, которые бьши занесены в базу данных. Разработанные блочно-иерархические модели физического принципа действия интегрального микромеханического акселерометра-клинометра приведены в приложении 4.
На основании разработанной обобщенной иерархической модели преобразовательного элемента с применением законов технической механики [14], электротехники [10] и математики разработаны математические модели микроэлектронного тензорезисторного преобразователя деформации, интегрального микромеханического акселерометра-клинометра и их элементов, позволяющие определять выходные параметры через входные величины, геометрические размеры элементов и параметры, определяемые физическими свойствами материалов.
Для построения модели микромеханического акселерометра-клинометра необходимо найти соотношения, связывающие величины и параметры ПСС с реальными физ. величинами. Вспомогательное состояние плоской стержневой системы (назв. протототипа) для определения прогиба в произвольной точке балки Методом начальных параметров определена относительная деформация балки по воздействием изменения измеряемой величины в месте присоединения тензорезистора:
С целью реализации автоматизированного синтеза ФПД ТУ с заданными параметрами было поставлено задание на синтез преобразователя (табл. 4.2). Задание на синтез: Найти наиболее оптимальные варианты физического принципа действия датчика для измерения вертикального, горизонтального ускорений и угла наклона. Входные величины: I mi изменяется в диапазоне ±lg до ±20g, Qmu. изменяется в диапазоне ± 45 Выходная величина Проектируемый датчик должен иметь наилучшие показатели по чувствительности, габаритам и цене.
Полученные модели ФПД были реализованы в конструкции многофункционального датчика - «Интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр», который иллюстрируется чертежами, представленными в приложении 6 (общий вид и сечения по линиям А-А, Б-Б, В-В). Его прототипом можно считать «Интегральный микромеханический акселерометр-клинометр». Анализ автоматически синтезированного решения позволил выявить совокупность приемов, улучшающие эксплуатационные характеристики прототипа - конденсатор заменен на тензорезистор, два тензорезистора соединены последовательно, блок из двух последовательно соединенных тензорезисторов включен в плечо мостовой схемы.
Интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр содержит полупроводниковую подложку 1, инерционную массу 2, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, размещенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 3 из задубленного фоторезиста. Инерционная масса 2 с помощью упругих балок 4, 5, 6, 7, выполненных из полупроводникового материала, связана с концами упругих балок 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, выполненных из полупроводникового материала, которые другими концами жестко соединены с опорами 16, 17, 18 ,19, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1. Полупроводниковые тензорезисторы 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26,27, 28, 29, 30, 31 получены диффузионным способом на упругих балках 4, 5, 6, 7. Тензорезисторы имеют начальную деформацию за счет незначительного принудительного изгиба упругих балок 4, 5, 6, 7 в процессе их формирования, что обеспечивает при эксплуатации устройства увеличение или уменьшение их электрического сопротивления в зависимости от направления изгиба упругих балок. Для увеличения чувствительности устройства тензорезисторы 20 и 22, 21 и 23, 24 и 27, 28 и 31, а также тензорезисторы 25, 26, 29 и 30 в электрической схеме соединены между собой последовательно.
Устройство позволяет производить измерение величины ускорения в направлениях X, Y (в плоскости подложки), Z (перпендикулярно плоскости подложки) и угла наклона подложки относительно линии горизонта в направлениях X, Y.
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 2 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 3 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси X в плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 8, 9, 12, 13, которые одними концами жестко соединены с упругими балками 4, 6, а другими — с опорами 16, 17, 18, 19 соответственно, и упругих балок 5, 7. В зависимости от направления ускорения начальная деформация тензорезисторов 21 и 23 увеличивается или уменьшается. Изменение деформации преобразуется в изменение электрического сопротивления, которое характеризует величину ускорения. Последовательное включение двух тензорезисторов 21 и 23 в электрическую схему позволяет удвоить чувствительность.
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 2 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 3 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси X в плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 10, 11, 14, 15, которые одними концами жестко соединены с упругими балками 5, 7, а другими — с опорами 17, 18, 16, 19 соответственно, и упругих балок 4, 6. В зависимости от направления ускорения начальная деформация тензорезисторов 20 и 22 увеличивается или уменьшается. Изменение деформации преобразуется в изменение электрического сопротивления, которое характеризует величину ускорения. Последовательное включение двух тензорезисторов 20 и 22 в электрическую схему позволяет удвоить чувствительность.
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 2 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 3 под действием сил инерции начинает перемещаться перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 4, 5, 6, 7 и кручения упругих балок 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15. В зависимости от направления ускорения начальная деформация тензорезисторов 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 увеличивается или уменьшается, что соответственно влияет на изменение их сопротивления. Тензорезисторы 25, 26, 29 и 30 включены последовательно в электрическую схему, что позволяет вчетверо увеличить чувствительность. Изменения сопротивлений последовательно соединенных тензорезисторов 24, 27, деформированных в противоположных направлениях, взаимно компенсируют друг друга. Аналогично работают тензорезисторы 28 и 31.
Похожие диссертации на Блочно-иерархическое моделирование физического принципа действия многофункциональных преобразователей
