Разработка ученых ПГУ позволит улучшить характеристики датчиков давления для промышленных объектов
Версия для печати
В подведомственном Минобрнауки России Пензенском государственном университете (ПГУ) создали и зарегистрировали программу для ЭВМ, повышающую точность полупроводниковых датчиков для измерения давления на тензорезистивном эффекте. Использование программы позволит увеличить точность измерения параметров двигателей и компрессоров. Кроме того, программа даст новый виток в импортозамещении в ракетно-космической индустрии, энергетической и авиационной промышленностях и автомобилестроении. Об этом сообщило Министерство науки и высшего образования РФ.
Научный коллектив (канд. техн. наук, доцент кафедры «Приборостроение» Вадим Волков и аспирантка ПГУ Елизавета Рыблова) предложил автоматизировать процесс определения значения концентрации легирующей примеси (бора) при изготовлении чувствительного элемента полупроводникового датчика давления в виде кремниевой мембраны с расположенными на ней тензорезисторами р-типа.
Как пояснил Вадим Волков, подобные датчики используются повсеместно.
«Давление — одна из самых измеряемых величин наряду с температурой. В двигателях, компрессорах измерения проводятся на постоянной основе. С подобными датчиками мы косвенно взаимодействуем ежедневно. Везде, где функционируют жидкости, газы — нужно измерять давление».
На точность работы датчика больше всего влияет колебание температуры окружающей среды. Минимизировать негативные эффекты от этих процессов помогает правильный выбор концентрации легирующей примеси при изготовлении тензорезисторов в составе датчика.
«В нашем случает резистор изготовлен из кремня, а легирующая смесь — это бор», — поделился ученый.
Отметим, от концентрации легирующей смеси (бора) будут зависеть практически все характеристики тензодатчика. А правильно подобранная концентрация смеси — залог хороших эксплуатационных характеристик датчика, а значит, и всего изделия, куда он будет встроен.
По словам Вадима Волкова, до их идеи во всем мире ученые и инженеры использовали приближенные методы для определения оптимальных параметров легирующей смеси. В основном все применяли графический метод. Но он, к сожалению, недостаточно эффективен и дорогостоящий.
«Мы упростили этот процесс. Сделали его более точным. Если взять цикл изготовления тензодатчика полностью, то наша программа сократит время на его изготовление и удешевит полупроводниковый чувствительный элемент. Вместо того чтобы изготавливать несколько экземпляров и по ним корректировать характеристики, можно будет один раз рассчитать и задать определенные параметры на компьютере. Если корректировки не исчезнут, то их станет существенно меньше. Мы избежим распространенной ситуации, когда, улучшая один параметр, ухудшаются несколько других и наоборот», — уверен Волков.
Ученые проверили свою программу вычислительным экспериментом на прототипе полупроводникового датчика давления в виде кремниевой мембраны с расположенными на ней тензорезисторами p-типа. Полученная погрешность стала в 1,5–2 раза меньше, чем по значениям, найденным по приближенным графическим методам.
«Мы брали прототип датчика, параметры, которые использовались для него, заменяли на уточненные нами параметры, найденные по нашей программе. И смотрели», — рассказал Вадим Сергеевич.
В программу вводились минимальное и максимальное значения концентрации температуры, на основании которых рассчитывался коэффициент влияния, после чего определялся выходной сигнал мостовой схемы. В нее объединены тензорезисторы. Затем данные сравнивались с выходным сигналом при нормальной температуре. В качестве оптимального ученые брали такое значение концентрации примеси, при котором температурная погрешность минимальная.
Программа поможет сократить время и затраты на разработку и изготовление тензодатчиков, а самое главное — повысит их эксплуатационные характеристики. Разработка ученых будет полезна для предприятий, специализирующихся на производстве тензодатчиков.
Кроме того, Елизавета Рыблова в настоящее время ведет смежную работу на основе разработанной программы по улучшению технических и метрологических характеристик полупроводниковых преобразователей давления, увеличению линейности и погрешности выходного сигнала в рамках программы поддержки талантливой молодежи «УМНИК».