Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ тенденций развития и методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик мнкроэлектро иных преобразователей 8
1.1. Анализ тенденций развития микроэлектронных датчиков 8
1.2. Анализ работ в области исследования датчиков 9
1.2.1. Системный подход к задачам анализа, синтеза и улучшения эксплуатационных характеристик преобразователей 10
1.2.2 Анализ методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлсктронных датчиков давления 13
1.2.3 Анализ методов моделирования и расчета микроэлектронных датчиков 18
Выводы по первой главе 26
Глава 2. Параметрические структурные схемы физико-технических эффектов преобразования механических величин в электрические в микроэлектронных датчиках 28
2.1 Энергоинформационпые модели цепей (ЭИМЦ) различной физической природы 28
2.2 Аппарат параметрических структурных схем (ПСС) 33
2.3 ПСС ФТЭ преобразования механических величин в электрические в микроэлектроппых датчиках 35
2.4 Методика энерго-информационного моделирования преобразователя на основе SADT-технологии 38
Выводы по второй главе 40
Глава 3. Энерго-информационные модели микроэлектронных датчиков давления 41
3.1 Упрощенные параметрические структурные схемы микроэлектронных датчиков давления 41
3.2 Разработка энергоинформационной модели (ЭИМ) емкостного датчика давления... 44
3.3 Разработка энергоинформационной модели (ЭИМ) частотного датчика давления (с вибрационным элементом) 56
3.4 Разработка энергоинформационной модели (ЭИМ) тензорезисторного датчика давления 69
Выводы по третьей главе 75
Глава 4. Разработка методик, алгоритмов и программного обеспечения для расчета выходных величин микроэлектроппых датчиков давления на основании разработанных ЭИМ 77
4.1. Методика и алгоритм расчета выходного напряжения микроэлектронного емкостного датчика давления 77
4.1.1. Методика расчета выходного напряжения мпкроэлектронного емкостного датчика давления 77
4.1.2. Алгоритм расчета выходного напряжения мпкроэлектронного емкостного датчика давления 78
4.2 Методика и алгоритм расчета частоты вибрации резонатора микроэлектронного частотного датчика давления 81
4.2.1. Методика расчета частоты вибрации резонатора микроэлектронного частотного датчика давления 81
4.2.2. Алгоритм расчета частоты вибрации резонатора микроэлектронного частотного датчика давления 83
4.3 Методика и алгоритм расчета выходных характеристик тензорезисторного датчика давления 86
4.3.1. Методика расчета выходных характеристик тензорезисторного датчика давления 86
4.3.2. Алгоритм расчета выходных характеристик микроэлектронного тензорезисторного датчика давления 87
4.4 Разработка системы автоматизированного расчета микроэлектронных датчиков давления 89
Выводы по четвертой главе 90
Глава 5. Проверка адекватности разработаннььх ЭИМ микроэлектроннык датчиков давления 91
5.1. Проверка адекватности ЭИМ емкостного датчика давления и методики расчета 91
5.2. Проверка адекватности ЭИМ частотного датчика давления 95
5.3. Тестовые примеры расчета тензорезисторного датчика давления 99
5.4 Функциональная модель микроэлектронного датчика давления 103
Выводы по пятой главе 104
Заключение 107
Библиографический список использованной литературы 112
Приложение 1
- Анализ работ в области исследования датчиков
- Аппарат параметрических структурных схем (ПСС)
- Разработка энергоинформационной модели (ЭИМ) частотного датчика давления (с вибрационным элементом)
- Методика и алгоритм расчета частоты вибрации резонатора микроэлектронного частотного датчика давления
Введение к работе
Научно-технический прогресс немыслим в настоящее время без широкого внедрения и использования информационно-измерительных систем (ИИС), важной частью которых являются первичные измерительные преобразователи — датчики.
Потребность в первичных преобразователях — датчиках стремительно растет в связи с быстрым развитием автоматизированных систем контроля и управления, переходом к гибким автоматизированным производствам. Такие датчики, помимо высоких метрологических характеристик, должны обладать высокой надежностью, стабильностью, малыми габаритными размерами и массой. Этим требованиям в большой степени удовлетворяют микроэлектронпые датчики.
Отечественная промышленность стоит перед объективной необходимостью внедрения новых прогрессивных технологий, которые требуют повышения точности измерений и регулирования параметров технологических процессов.
Серьезные исследования в этой области проводятся к.т.н П.Г. Михайловым (каф. «Приборостроение» Пензенского гос. Университета и НИИ физических измерений (НИИФИ г. Пенза), к.т.н В.А. Васильевым (Новосибирский университет), учеными школы д.т.н. М.Ф. Заринова и д.т.н. И.ІО. Петровой.
Главные направления в исследованиях в области датчиковой аппаратуры — это системный подход к задачам анализа, синтеза и улучшения эксплуатационных характеристик преобразователей и разработка моделей датчиков на основе представления процесса измерения как преобразования информации и энергии.
П.Г. Михайловым на основе информационно-энергетического подхода предложены обобщенные математические модели различного типа датчиков, позволяющие оптимизировать их основные характеристики. Однако, для исследования возможностей оптимизации введенных им информационно-энергетических характеристик (ИЭХ), используются уже известные значения технических характеристик датчиков, полученные при теоретических и экспериментальных исследованиях. Сам процесс получения технических характеристик датчиков является исключительно трудоемким и дорогостоящим. Это связано с тем, что разработка микроэлектронных датчиков (МЭД) исключительно наукоемкая область, синтезирующая достижения механики, физики и химии твердых тел, жидкостей и газов, теплофизики, прикладной математики, теории упругости, электроники, теории измерений, метрологии и др. Поэтому при разработке датчиков инженер должен использовать максимально возможный обьем знаний о физических эффектах и явлениях, накопленный в мире. В настоящее время известно около 5000 физико-технических эффектов. В связи с этим возникает потребность автоматизации поиска технических решений новых б конструкций. Автоматизация проектирования чувствительных элементов (ЧЭ) возможна только при унификации представления информации о различных классах физических явлений. Такая унификация проводится в теории энергоинформационных моделей цепей (ЭИМЦ), представленной школой проф. Зарипова М.Ф. и проф. Петровой И.Ю. Вклад в развитие этой теории внесли Лаптев В.В., Ханова А.А., Ануфриев Д.П., Квятковская И.10., Щербинина О.В., Ветрова А.А. и др. С помощью этой теории описано около 250 физико-технических эффектов (ФТЭ) из 5000 известных.
Однако, в этой области недостаточно представлены ФТЭ в микроэлектрониых датчиках. Вследствие особенностей полупроводниковых материалов возможно изготовление очень большого количества самых разнообразных видов полупроводниковых приборов. Теоретически возможно существование более 500 эффектов в микроэлектронных датчиках, которые описывают взаимные преобразование механических, тепловых, магнитных, электрических, оптических величин и их комбинации.
Шикульской О.М. были разработаны энерго-информационные модели механических цепей упругих элементов преобразователей с учетом распределения в них параметров. Эта работа требует логического продолжения — описания преобразования механических величин на выходе ЧЭ датчика в электрический сигнал.
Цель диссертационной работы: разработка энерго-информационных моделей микроэлектронных датчиков давления, создание па основе разработанных моделей инженерных методик и программного обеспечения для расчета микроэлектронных датчиков давления, предназначенного для повышения эффективности их проектирования.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
Проведение ретроспективного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков давления путем патентных исследований глубиной 10 лет.
Разработка ПСС цепей преобразования механических величин упругих элементов микроэлектронных преобразователей в электрические.
Разработка энер го информационных моделей мембраны и диафрагмы.
Разработка энергоинформационных моделей микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления.
Разработка инженерной методики и программного обеспечения для расчета микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления.
Разработка методики энерго-информационного моделирования на основе SADT-технологии.
7 Па іащнту выносятся следующие положении:
Предложено использовать метод параметрических структурных схем для расчета микроэлектронных датчиков давления, что позволило разработать энерго-информациониые модели и инженерные методики расчета этих датчиков.
Теория ЭИМЦ и аппарат ПСС дополнены новым понятием — параметр величины, что позволяет описывать новые эффекты колебательных и волновых процессов любой физической природы.
Разработаны ПСС цепей преобразования механических величин упругих элементов микроэлектронных преобразователей в электрические, что позволяет объединять преобразования механической и электрической природы при моделировании преобразователя.
Разработаны эн ер го-информационные модели мембраны и диафрагмы, что позволило автоматизировать расчет их выходных характеристик и разработать модели микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления
Разработаны энерго-информационные модели микроэлектронного емкостного, резонаторного и тензорезисторного датчиков давления, что позволило автоматизировать расчет их выходных характеристик и сократить время на их проектирование в 2-3 раза.
Впервые предложена методика энерго-информационного моделирования на основе SADT-технологии. Использование SADT-технологии повышает производительность построения ЭИМ и ее информативность, улучшает ее восприятия.
Анализ работ в области исследования датчиков
Серьезные исследования в области разработки датчиковой аппаратуры проводятся к.т.н П.Г. Михайловым (каф. «Приборостроение» Пензенского гос. Университета и НИИ физических измерений (НИИФИ г. Пенза), к.т.н В.А. Васильевым (Новосибирский университет), учеными школы д.т.н. М.Ф. Зарипова и д.т.н. И.Ю. Петровой.
Анализ патентной и научно-технической литературы позволил выявить два главных направления в исследованиях в области датчиковой аппаратуры:? Системный подход к задачам анализа, синтеза и улучшения эксплуатационных характеристик преобразователей [2, 3];? Разработка моделей датчиков на основе представления процесса измерения как преобразования информации и энергии [4].
Многообразие измеряемых параметров, конструктивных особенностей принципов действия, используемых материалов значительно усложняет анализ и синтез полупроводниковых преобразователей, а также достижение требуемых эксплуатационных характеристик. Для каждого типа датчиков характерны свои особенности построения электрических цепей, которые зависят также от конкретных целей и задач преобразования информации.
Разработка новых, более совершенных измерительных устройств требует системного подхода к анализу и синтезу преобразователей измерения.
Системный подход к задаче анализа и синтеза преобразователейВ.А. Васильев (г. Новосибирск) использует системные принципы построения преобразователей информации на основе твердотельных структур.
Развитие и совершенствование измерительных устройств идет по направлениям совершенствования первичных преобразователей информации (ПрИ) — датчиков, и вторичных ПрИ. [3], При этом совершенствуются структуры, элементарная база, алгоритмы измерений и обработки сигналов.
Существует большое многообразие твердотельных структур, которые используются в датчиках для преобразования информации. Для каждого типа датчиков характерны свои особенности построения электрических цепей, которые зависят также от конкретных целей и задач преобразования информации.
Разработка новых, более совершенных измерительных устройств требует системного подхода к анализу и синтезу ПрИ. Для этого измерительную систему и все операции в ней, связанные с преобразованием информации, следует рассматривать как единое целое, во взаимосвязи друг с другом. При этом необходимо учитывать целевое назначение системы для получения требуемых свойств системы не только за счет совершенствования частных характеристик первичных или вторичных ПрИ, входящих в систему, но и за счет свойств, обусловленных общей структурой и не являющихся свойствами отдельных ее частей. Вместе с тем, рассмотрение процесса преобразования информации необходимо вести с учетом внешних связей (внешней среды), т. е. учитывать требования рассмотрения анализируемой системы как части (подсистемы) некоторой более общей системы.
В большинстве случаев показателями полноты достижения цели построения системы служат такие показатели, как точность, погрешность, надежность, экономическая эффективность и др. Выбор показателя — критерия эффективности системы, является важным этапом формулировки целей и задач системы. От этого этапа зависят представления о свойствах системы и результаты.
При построении измерительных систем приходится ставить и решать задачи о согласования целей отдельных подсистем...
Системный подход к задаче анализа и синтеза ПрИ на основе твердотельных структур следует начинать с выделения подсистем и их элементов. В качестве основных подсистем можно выделить:? подсистема «Первичный ПрИ»;? подсистема «Вторичный ПрИ»
Локальные цели каждой из подсистем отличаются друг от друга: в первом случае это преобразование воздействия измеряемой величины — фактора, во втором — усиление сигнала и выделение информативной составляющей измеряемого сигнала. Вместе с тем имеется единая цель функционирования системы — измерения величины определенного фактора, например, давления.
Системный подход к решению задачи повышения эффективности измерения и стабильности датчиков
Михайлов П.Г. (г. Пенза) уделяет внимание повышению эффективности измерения и стабильности датчиков. Все современные информационно-измерительные системы (ИИС), построенные с применением микропроцессоров, контроллеров и компьютеров, непременно имеют на низовом уровне (процесс, установка, изделие, агрегат) датчики — преобразователи контролируемых параметров объекта. И если они не будут обладать требуемыми эксплуатационными характеристиками, то программно-аппаратными средствами невозможно обеспечить информативность измерений и контролирование параметров объекта. Все это приводит не только к финансовым потерям, но может послужить причиной экологических и техногенных катастроф.
Еще одним характерным примером резкого повышения требований к средствам измерения (СИ) и особенно датчикам является использование последних в ядерной энергетике для контроля функционирования ядерных реакторов. Здесь установка датчика может осуществляться таким образом, что демонтировать или заменить его практически невозможно, так как это связано с возможными нарушениями целостности конструктивных элементов ядерного реактора.
Вместе с тем, повышение стабильности датчиков — сложнейшая комплексная задача, включающая в себя создание новых конструктивно-технологических решений, разработку новых технологий, методов и процедур контроля испытаний, долговременный анализ отказов и дефектов датчиков в процессе эксплуатации и т. д.
При этом приоритетным направлением является создание новых конструкций и технологий [2].
Уникальные возможности в направлении резкого повышения ресурса, надежности и функциональных возможностей предоставляются при внедрении достижений микромеханики при разработке и изготовлении датчиков нового поколения — мнкроэлсктропных датчиков (МЭД). Интеграция микромеханических конструкций чувствительных элементов со схемами обработай, усиления и согласования позволяет качественно улучшить характеристики МЭД, интеллектуализировав последние.
Аппарат параметрических структурных схем (ПСС)
Анализ и синтез технических решений существенно облегчается, если рассматривать соответствующее техническое устройство как совокупность простых звеньев, каждое из которых характеризует элементарную зависимость величины или параметра от другой величины той же или другой физической природы. Принцип действия любого преобразователя основан на взаимодействии цепей различной физической природы.
Все это позволяет формализовать описание принципа действия преобразователя механической величины в виде параметрической структурной схемы (ПСС) [99]. Каждое элементарное звено такой схемы отражает одно преобразование. Преобразователь механических величии в общем случае представляет собой совокупность таких звеньев, соединенных между собой в определенном порядке, образугощую параметрическую структурную схему (ПСС).
Использование аппарата параметрических структурных схем позволяет сделать процесс поискового конструирования преобразователей механических и электрических величины более содержательным, обеспечить возможность привлечения внимания работников к наиболее ответственным узлам объекта конструирования, частично автоматизировать процесс выбора принципа действия и скелетной конструкции технического решения, используя принцип многокритериальной оптимизации ПСС.
Элементарное звено структурной схемы преобразователя механической величины изображается в виде прямоугольника с обозначением входной и выходной величин (рис, 2.1). Внутри .прямоугольника записывается коэффициент передачи звена. Для элементарныхзвеньев, отражающих процессы, происходящие внутри участка цепей одной физической природы, внутри прямоугольника записывается параметр - сопротивление, проводимость, емкость, жесткость, индуктивность, дедуктивмость. Для звеньев, соответствующих динамическим (временным) критериальным зависимостям, внутри прямоугольника записывается оператор дифференцирования или интегрирования, отражающий временную зависимость.
Разработана графическая топограмма (рис. 2.2) возможных связей внутри цепи одной и той же физической природы (в частности механической). Эти топограммы внутрицепных связей одинаковы для всех цепей, имеющих полный набор параметров.
Взаимодействие цепей различной физической природы в технических устройствах отражаются с помощью физико-технических эффектов (ФТЭ).
Физико-техническим эффектом называется объективно существующая причинно-следственная связь, отражающая зависимость между физическими величинами. ФТЭ может быть представлен в виде элементарного звена параметрической структурной схемы (ПСС).
Аналитические выражения для коэффициентов ФТЭ и числовые значения этих коэффициентов, а также эксплуатационные характеристики технических реализаций ФТЭ определяются по результатам теоретических и экспериментальных исследований в области физики и техники.
При этом необходимо учитывать следующие особенности. Одно физическое явление может быть представлено как несколько ФТЭ в зависимости от того, какие и в каком соотношении величины и параметры различной физической природы участвуют в описании физического явления. Для каждого эффекта должны быть четко указаны входные и выходные величины.
По мере развития физики возможно представление того или иного ранее описанного ФТЭ как сочетания ряда новых эффектов с соответствующими раздельными их описаниями.
Каждый ФТЭ или внутрицепная зависимость могут иметь самые различные технические реализации, отличающиеся габаритами, диапазонами измерения входных и выходных величин, параметров, коэффициентов, применяемыми материалами и т. д. Конструктивные описания и изображение технических реализаций ФТЭ целесообразно выполнять простыми, по достаточно наглядными для зрительного представления сущности эффекта.
Каждый ФТЭ должен иметь стандартное формализованное описание, удобное "для машинной обработки на ЭВМ и технических приложений.
Наиболее существенной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства в широких пределах под. влиянием различных воздействий. При взаимодействии твердых полупроводников с различного вида энергиями возникают очень разнообразные и удивительные явления, которые очень широко используются в исследовательских целях, а также находят большое применение на практике. Твердотельные устройства могут генерировать, детектировать, преобразовывать, усиливать и поглощать электромагнитную энергию, а также преобразовывать различные виды энергии — свет, тепло, звук, механическое движение — в электричество и наоборот.
Можно выделить общие особенности, присущие в той или иной мере всем полупроводникам [138]:1. большая чувствительность материала полупроводников к присутствию в них примесей — миллионная доля процентного содержания примесей может изменить электропроводность полупроводника на несколько порядков;2. значительная чувствительность полупроводников к внешним энергетическим воздействиям (электрическому полю, магнитному полю, температуре, излучениям и др.);3. наличие у полупроводниковых материалов двух типов электропроводимости — электронной и дырочной (п- и р-типа).
Вследствие этих особенностей из полупроводниковых материалов возможно изготовление очень большого количества самых разнообразных видов полупроводниковых приборов, в каждом из которых применен материал с ярко выраженным определенным свойством.
Приборы на основе полупроводников отличаются, как правило, от других подобных приборов малыми массой и габаритами, простотой изготовления, отсутствием старения материала при электронном типе проводимости, большим сроком службы и надежностью
Разработка энергоинформационной модели (ЭИМ) частотного датчика давления (с вибрационным элементом)
Струнные и виорациоппо-частотиые датчики различных физических величин (усилия, давления, вакуум-метрических давлений, расхода, крутящего момента, температуры, скорости), обладая весьма высокими метрологическими характеристиками, до настоящего времени не находят широкого практического применения. Это обусловлено достаточно сложной технологией их изготовления, требующей использования таких операции, как точение, фрезерование, шлифование, штифтовка, притирка. При этом допуски на все механические элементы конструкции датчика назначаются в пределах пяти-десяти квалитетов. С учетом сложности сборки и настройки датчиков их стоимость намного превышает стоимость обычных электромеханических датчиков с выходным сигналом в виде тока или напряжения. Кроме того, практически невозможно реализовать серийное производство резонаторных датчиков с идентичными характеристиками, обеспечивающими их полную взаимозаменяемость. Поэтому даже те немногочисленные типы резонаторных датчиков с 4-М выходным сигналом, которые вьшускаются на некоторых предприятиях малыми партиями, имеют индивидуальные градуировочные характеристики. До недавнего времени это обстоятельство также сдерживало практическое внедрение высокоточных резонаторных датчиков. Сейчас во всех индустриально развитых странах идет процесс интенсивного внедрения относительно простых полупроводниковых датчиков с амплитудным выходным сигналом, изготавливаемых на основе материалов и технологии микроэлектроники [140]
Применение групповой технологии микроэлектроники позволяет существенно снизить трудоемкость изготовления датчиков, их материалоемкость и стоимость. Но при серийном и массовом производстве таких датчиков не удается обеспечить воспроизводимость их метрологических характеристик от партии к партии. В связи с этим основная масса таких датчиков находит применение в изделиях бытовой техники и автомобилях, т. е. в тех отраслях, где приведенная погрешность измерений порядка 2.5% удовлетворяет разработчиков готовой продукции.
Отечественная промышленность стоит перед объективной необходимостью внедрения новых прогрессивных технологий, которые требуют повышения точности измерений и регулирования параметров технологических процессов до значении приведенных погрешностей порядка 0,05...0,5%. При создании таких систем контроля и регулирования следует ожидать широкого применения резонаторных датчиков с выходным 4-М сигналом, но при условии существенного снижения трудоемкости их изготовления, а следовательно, и стоимости при сохранении высоких метрологических характеристик.
В частотных датчиках давления вибрационный частотный элемент может быть выполнен в форме миниатюрных силочувствительных балочных резонаторов, может представлять собой колебательную струну, монокристаллическую кремниевую нить, натяжение которой зависит от напряжений диафрагмы, перекладину, опирающуюся на диафрагму, вакуумную полость с кремниевой оболочкой. Наконец, сама мембрана может играть роль резонатора.
Обобщение публикаций, относящихся к резонаторпым датчикам с 4-М выходным сигналом, показало, что большинство разработчиков используют при создании датчиков струнный метод измерений. Схема вибрационного датчика давления приведена на рис. 3.20.
Дифференциальное уравнениедвижения идеально гибкой струны, жестко закрепленной с обоих концов и имеющий длину /, силу продольного натяжения F, бесконечно малую амплитуду колебаний у,№ имеет вид ег0— напряжение растяжения в материале струны,S0 — упругая деформация растяжения в струне,Е — модуль упругости материала струны,Fo— сила продольного начального натяжения в струне.
Принцип работы струнных датчиков различных физических величин заключается в том, что с помощью первичного преобразователя измеряемая физическая величина преобразуется в приращение силы продольного натяжения струны AF, что приводит к изменению колебаний fo до f. Приращение частоты колебаний струны будет являться мерой измеряемой величины, т. е.
В силу ряда обстоятельств обычно в качестве струны используется лента с прямоугольной формой поперечного сечения и, отношением ширины Ъ к толщине h, лежащим в диапазоне от 10 : 1 до 100 : 1.С целю линеаризации функции преобразования и снижения погрешности от влияющих факторов применяют дифференциальные струнные датчики [2], [141], [142].
В работах многих исследователей показано [141], [142], [143], что при соотношениях размеров поперечного сечения струны к ее длине более 300...500 выражение (3.47) вполне пригодно для инженерных расчетов струнных датчиков. Однако при определении функции преобразования датчиков повышенной точности или при bjl 300отношении необходимо учитывать влияние поперечной жесткости струны как балки. При этом дифференциальное уравнение движения струны отлично от уравнения (3.45) [144]. В этом случае собственную частоту колебаний струны с жесткой заделкой концов, колеблющейся на первой гармонике можно определить на основании выражения42 El Таким образом, для определения выходной характеристики частотного датчика давления — изменения частоты колебаний, необходимо знать силу натяжения струнырезонатора, возникшего под воздействием давления, а также параметры, зависящие от размеров струны и свойств материала.
Для определения силы натяжения струны необходимо знать механические напряжения на поверхности плоской мембраны, возникающие под воздействием давления, в точках крепления струны.
Для упрощения будем решать задачу в два этапа: вначале найдем выражения для определения напряжений в плоской пластине без отверстия, а затем — в плоской пластине с отверстием, то есть диафрагме. После этого можно будет перейти к определению зависимости изменения частоты колебаний резонатора датчика от величины давления, то есть к получению зависимости выходных характеристик преобразователя от входных величин.
Для решения этой задачи рассмотрим элемент плоской пластины, отсеченный двумя осевыми и цилиндрическими сечениями (рис. 3.21)Изгибные напряжения с, и а, в радиальном и окружном направлениях (рис. 3.21) связаны
Методика и алгоритм расчета частоты вибрации резонатора микроэлектронного частотного датчика давления
Разработанная энерго-информашюнная модель вибрационного датчика давления является основой инженерной методики и алгоритма его расчета
Для расчета частотного датчика давления необходимы исходные данные (Приложение 1)Расчет с учетом анизотропности материала производится для каждого значения давления вдоль главной оси материала, без учета анизотропности материала — расположение сечения значения не имеет.
Расчет выполняется в три этапа: Расчет параметров цепи диафрагмы (угловой механической емкости и угловой механической жесткости) Расчет величин цепи диафрагмы: углового механического заряда, углового механического воздействия, линейного механического заряда (деформации) и линейного механического воздействия (напряжения) Расчет частоты вибрации микроэлектронного частотного датчика давления.
Величина по (число элементов, приходящихся на отверстие диафрагмы) определяетсяпо формуле: п0 =—п
Расчет параметров С , W и эффективных параметров СІ, W , начинается с последнего звена (i=n-no), т.е. от точки пересечения окружности отверстия в центре мембраны с главной осью материала и производится по следующим формулам:і
Расчет выходной частоты вибрации резонатора микроэлектро иного частотного датчика давления состоит из следующих блоков (рис. 4.3, 4.4):1. Определение простых (С, W) и приведенных (С, W) параметров угловой механической цепи плоской мембраны;2. Определение величин (Q, U) угловой механической цепи плоской мембраны3. Определение деформаций в радиальном (єг) и окружном (є,) направлениях элементарного участка цепи датчика;4. Определение напряжений в радиальном (егг) и окружном (ст,) направленияхэлементарного участка цепи датчика;
Для микроэлектро иного частотного датчика абсолютного давления5. Определение частоты вибрации резонатора датчика;
Для дифференциального микроэлектронного частотного датчика давления6. Определение начальной частоты вибрации резонатора датчика;7. Определение изменения частоты вибрации резонатора датчика под воздействием давления.
Разработанная энерго-информационная модель тензорезисторного датчика давления является основой инженерной методики н алгоритма его расчета
Для расчета тензорезисторного датчика давления необходимы исходные данные (Приложение 1).
Расчет с учетом анизотропности материала производится для каждого значения давления вдоль главной оси материала, без учета анизотропности материала — расположение сечения значения не имеет.
Расчет выполняется в три этапа: Расчет параметров цепи плоской мембраны (угловой механической емкости и угловой механической жесткости) Расчет величин цепи плоской мембраны: углового .механического заряда, углового механического воздействия и линейного механического заряда (деформации) Расчет величины относительного изменения сопротивления тензорезистора микроэлектронного тензорезисторного датчика давления
Расчет параметров С , W и эффективных параметров d , W начинается споследнего звена (i=n), т.е. от центра мембраны и производится по следующим формулам:
Далее выбираем координаты расположения тензорезисторов:для изотропного материала мембраны выбирается одна координата — точка на радиусе, максимально приближенная к периферии мембраны (і=І или і близко к I).для анизотропного материала мембраны выбираются две координаты — (радиальная и угловая) точка на радиусе, расположенным на главной оси материала или минимально отклоненном от нее (а=0 или близко к нулю), на периферии мембраны (і=1 или і близко к 1);
Затем определяется относительное изменение сопротивления тензорезистора по формулам:Для изотропного материала для анизотропного материала
Расчет выходной характеристики тензорезисторного датчика давления состоит из следующих блоков:1. Определение простых (С, W) и приведенных (С, W) параметров угловоймеханической цепи плоской мембраны;2. Определение величин (Q, U) угловой механической цепи плоской мембраны3. Определение деформаций в радиальном (sr) и окружном (г,) направленияхэлементарного участка цепи датчика;4. Определение относительного изменения сопротивления датчика.
Блок схема определения выходной характеристики тензорезисторного датчика давления представлена на рис. 4.5
Разработанные инженерные методики и алгоритмы расчета мембраны, емкостного, резонансного и тензорезисторпого датчиков давления легли в основу программного обеспечения для автоматизированного расчета микроэлектронных датчиков давления [146].
На основе анализа предметной области были разработаны функциональная диаграмма (приложение 2), дерево узлов (приложение 3), диаграмма сущность-связь (приложение 4)
Разработанная система решает следующие задачи:? ввод и корректировка справочников;? расчет выходных характеристик микроэлектронных датчиков и печать выходных документов.
С системой взаимодействуют два пользователя: оператор и проектировщик (рис. П.2.1).
Перед началом использования системы для расчета преобразователей необходимо заполнить справочники. Эта работа не требует высокой квалификации, поэтому ее может выполнять оператор.
Система позволяет выполнять расчеты выходных характеристик как самих микроэлектронных датчшшв (емкостного, частотного, тензорезисторпого), так и их основного конструктивного элемента — мембраны. Интерфейсы системы представлены в приложении 5.
Расчет мембраны отличается от расчетов датчиков дополнительным процессом — выводом на экран. Это связано с тем, что расчет мембраны выполняется в лагранжевой (подвижной цилиндрической) системе координат, что дает большое количество промежуточных точек расчета по трем измерениям. Интерфейс для просмотра результатов расчета мембраны (рис. П.5.2) позволяет просматривать выходные параметры, интерактивно изменяя значения радиальной, угловой координат и давления.
Выходные документы системы приведены в приложении 6.
Система автоматизированного расчета микроэлектронных датчиков давления была внедрена в АстрахаиьНИПИГАЗ и на Машиностроительном заводе «Прогресс». Акты внедрения приведены в приложении 7.Разработанная система позволяет значительно снизить затраты труда проектировщиков на выполнение рутинных процессов и освободить их время для творческого труда.
