Н.Е. Белозубова – аспирант (ПГУ),

В.А. Васильев, д–р техн. наук, профессор (ПГУ),

Рассматривается проблема повышения устойчивости датчиков к внешним воздействующим факторам. Предложены варианты конструктивно-технологических решений, позволяющих повысить виброустойчивость датчиков давления.

Важнейшими элементами информационно-измерительных и управляющих систем современной ракетной и авиационной техники являются датчики и в частности, датчики давления. Необходимость измерения давлений непосредственно в местах протекания высокоэнергетических процессов ракетных двигателей предъявляет высокие требования к устойчивости датчиков при воздействии высоких уровней виброускорений и широкого диапазона нестационарных температур. Оптимальным сочетанием метрологических, конструктивных, технологических характеристик с наивысшей устойчивостью к воздействию вышеназванных факторов обладают тонкоплёночные тензорезисторные датчики давления (по сравнению с датчиками аналогичного назначения других принципов преобразования) [1–3]. Такие датчики обеспечивают измерения абсолютного большинства параметров давления жидкостных ракетных двигателей. В то же время, совершенствование двигателей предопределяет актуальность дальнейшего повышения устойчивости датчиков к внешним воздействующим факторам.

Критичными к воздействию повышенных виброускорений элементами датчиков давления, как и других датчиков, являются выводные проводники чувствительного элемента, корпус, ввод кабельной перемычки. Повышенные виброускорения приводят к разрушению таких элементов и прекращению функционирования датчиков. Кроме того, особенностью работы датчиков является то, что недостаточная устойчивость критичных к воздействию повышенных виброускорений
элементов приводит к появлению дополнительной температурной погрешности, вызванной влиянием изменения нестационарной температуры, возникающей в результате внутреннего и наружного трения этих элементов. В связи с этим повышение виброустойчивости в определённой мере решает задачу уменьшения температурной погрешности.

Варианты конструктивно-технологических решений датчиков, направленных на повышение виброустойчивости, условно можно классифицировать следующим образом:

– с виброустойчивой заделкой кабельной перемычки;

– с кабельным вводом, расположенным под углом к корпусу;

– с коленчатым корпусом;

– с каналами и квазипланарным размещением выводных проводников.

Датчик давления с виброустойчивой заделкой кабельной перемычки изображен на рис. 1. Датчик состоит из чувствительного элемента 1, накидной гайки 2, цилиндрического корпуса 3 с хвостовиком 4 [4]. На хвостовике при помощи бандажа 5 закреплены экранирующая оплётка 6 и канат 7. Провода 8, экранирующая оплётка и канат помещены в изоляционную трубку 9. Изоляционная трубка закреплена на хвостовике при помощи бандажа 10. Наружная поверхность конца хвостовика 4 выполнена в виде конической поверхности. Вдоль продольной оси хвостовика расположены прорези 11, через которые проведена разделка экранирующей оплётки и каната. Изоляционная трубка дополнительно закреплена на хвостовике при помощи резьбовой втулки 12, навинченной на корпус датчика [4].

Рис. 1. Датчик давления с виброустойчивой заделкой кабельной перемычки

Так как в предлагаемой конструкции изоляционная трубка дополнительно закреплена на хвостовике при помощи втулки, то при воздействии виброускорений прочность места заделки кабельной перемычки больше по сравнению с известной конструкцией. Для осуществления равномерного сжатия изоляционной трубки между поверхностью конца хвостовика о внутреннюю поверхность втулки 13 она также выполнена в виде части конической поверхности с углом при вершине, равным углу при вершине конической поверхности конца хвостовика.

Датчик давления с кабельным вводом, расположенным под углом к корпусу, изображен на рис. 2. Повышение виброустойчивости достигается за счёт оптимального расположения элементов конструкции, уменьшения длины корпуса и приближения места ввода кабельной перемычки к штуцеру изделия. Необходимость уменьшения длины корпуса вызвана тем, что максимальные напряжения в корпусе и месте заделки кабельной перемычки в первом приближении определяются выражением

, (1)

где – коэффициент, зависящий от массы и от распределения масс корпуса;
– момент сопротивления (инерции) поперечного сечения корпуса; – расстояние от места определения напряжений до места закрепления корпуса в изделии (длина консоли); – величина виброускорений.

Рис. 2. Датчик давления с кабельным вводом, расположенном под углом к корпусу

Датчик [5] состоит из чувствительного элемента 1, выполненного из сопрягаемой со штуцером части мембраны, накидной гайки 2, цилиндрического корпуса 3. В корпусе расположена герметичная контактная колодка 4, контакты 5 которой с одной стороны при помощи выводных проводников 6 соединены с контактными площадками чувствительного элемента, а с другой стороны – с проводниками 7 кабельной перемычки. На контактную колодку надета герметизирующая втулка 8, которая с одной стороны по торцу сварена с контактной колодкой, а с другой стороны – с чувствительным элементом. На корпус датчика со стороны, противолежащей чувствительному элементу, навинчена на клее цилиндрическая втулка 9, на боковой поверхности которой сформирован выполненный с ней за одно целое патрубок 10, при помощи которого кабельная перемычка 11 присоединяется к корпусу датчика. Датчик давления установлен на штуцер 12 изделия. Прокладка 13 служит для обеспечения герметичности соединения датчика со штуцером.

Патрубок расположен к корпусу под острым углом a, определяемым из соотношения

, (2)

где D_r – диаметр описанной окружности накидной гайки; D_rв – внутренний диаметр накидной гайки; D_к – наружный диаметр корпуса; h – расстояние от накидной гайки до места соединения патрубка с втулкой; s – шаг резьбы накидной гайки. Расстояние L от втулки до накидной гайки выбрано из соотношения .

Угол между продольной осью кабельного ввода и продольной осью корпуса выбирается из соображений максимального повышения виброустойчивости с учётом характерных особенностей эксплуатации и демонтажа датчиков в составе ЖРД.

Предлагаемое решение датчика давления с коленчатым корпусом, изображенное на рис. 3, направлено на повышение виброустойчивости датчика давления за счёт увеличения момента сопротивления поперечного сечения корпуса, и уменьшения консоли, образованной корпусом, а также за счёт уменьшения расстояния между кабельной заделкой и местом закрепления корпуса в изделии. Датчик давления [6] состоит из накидной гайки 1, корпуса 2, выполненного в виде коленчатой четырёхсекционной трубчатой конструкции, чувствительного элемента 3 с тензорезисторами и кабельной перемычки 4. Каждая секция 5 – 8 перпендикулярна предыдущей (секция 6 перпендикулярна секции 5 и т.д.). Четвертая секция 8 перпендикулярна продольной оси 9 накидной гайки и направлена в сторону от нее [6].

Для максимального повышения виброустойчивости три секции корпуса находятся на минимальном расстоянии от накидной гайки, обеспечивающей её проворачивание. Для дальнейшего повышения виброустойчивости датчика при эксплуатации возможно его закрепление на изделии за четвертую секцию, например, с помощью хомутика. Известные конструкции датчиков с накидной гайкой не позволяют этого без применения специальных устройств.

Рис. 3. Датчик давления с коленчатым корпусом

Вследствие уменьшения длины консоли L₁ корпуса в 1,5–2,5 раза и увеличения поперечного сечения корпуса в 2 раза (воздействию виброускорений сопротивляются два сечения корпуса датчика) максимальные напряжения в корпусе в соответствии с выражением (1) при воздействии одинаковых виброускорений уменьшатся в 5 раз. Следовательно, во столько же раз повышается виброустойчивость датчика.

Датчик давления с каналами и квазипланарным размещением выводных проводников изображен на рис. 4. Датчик содержит чувствительный элемент 1 в виде жёсткозащемлённой мембраны с опорным основанием 2, на которой сформирован диэлектрический слой 3 с тензосхемой и контактными площадками 4 [7]. Цилиндрическая контактная колодка 5, контакты 6 которой размещены на её периферии, расположена соосно чувствительному элементу. Плоские выводные проводники 7, соединяющие контактные площадки чувствительного элемента и контакты колодки, частично расположены на поверхности чувствительного элемента. Контактная колодка выполнена в виде втулки с фланцем 8, герметично соединена по периферии с крышкой 9 в виде колпачка. Втулка герметично соединена свободным торцом, противоположным фланцу с опорным основанием 2 чувствительного элемента.

На диэлектрике в области торцов контактов выполнены окна 10, размеры которых превышают диаметр контакта, но не превышают диаметр изолятора 11 контакта. Плоские выводные проводники 7 частично расположены на диэлектрике фланца, частично на чувствительном элементе и закреплены на торцах контактов. К опорному основанию жёстко присоединена накидная гайка 12, на одной из граней которой сформирован прилив, в котором выполнены два соединяющихся между собой канала 13 и 14, в которых размещены проводники 15, соединяющие контакты гермоколодки с выходом датчика. Торец накидной гайки закрыт крышкой 16.

Рис. 4. Датчик давления с каналами и квазипланарным размещением выводных проводников

Выполнение датчика давления с каналами и квазипланарным размещением выводных проводников повышает виброустойчивость за счёт увеличения момента сопротивления поперечного сечения, уменьшения длины корпуса и приближения места ввода кабельной перемычки к штуцеру изделия. Проведенный расчёт показывает, что при воздействии виброускорений, направленных перпендикулярно продольной оси, в датчике, выполненном в соответствии с предлагаемым решением, возникают напряжения в несколько раз меньше, чем у известных датчиков давления.

Кроме того, при воздействии виброускорений максимальные суммарные напряжения в выводных проводниках, обусловленные совместным воздействием остаточных деформаций при монтаже и виброускорений в предлагаемом решении уменьшены за счёт исключения остаточных деформаций из-за отсутствия деформации плоских выводных проводников в процессе монтажа. Виброустойчивость выводных проводников повышается также за счёт уменьшения длины выводных проводников и дополнительного ограничения их виброперемещения перпендикулярно поверхности упругого элемента. Повышение виброустойчивости датчика в целом осуществляется за счёт совокупности конструктивных элементов, позволяющих приблизить кабельный ввод непосредственно к месту присоединения датчика на изделии.

Рассмотренные решения могут быть применены в датчиках давления, построенных на различных принципах преобразования.

Работа выполнена в Пензенском государственном университете и ОАО «НИИФИ».

E-mail: opto@bk.ru

Список литературы

1. Мокров Е.А. Интегральные датчики. Состояние разработок и производство. Направления развития, объёмы рынка // Датчики и системы, 2000. – №1..
   
2. Васильев В.А. Технологические особенности твёрдотельных мембранных чувствительных элементов // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение. – М., 2002.– №4..
   
3. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е., Васильев В.А. Уменьшение влияния термоэлектрических явлений в МЭМС-структурах на выходной сигнал тонкоплёночных тензорезисторных датчиков давления // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – М., 2008. – №1.
   
4. Белозубов Е.М., Патент РФ № 2028589. Датчик давления. Опубл. 09.02.95. Бюл. № 4.
   
5. Белозубов Е.М., Демченко О.И. Бещеков В.Г, Патент РФ № 2041453, 6G01L 19/06. Датчик давления. Заявка № 3131650 от 06.01.86. Опубл. 09.08.95. Бюл. № 22.
   
6. Белозубов Е.М., О.Б.Новосельцева, Патент РФ № 2040782, 6 G 01L 19/06. Датчик давления. Опубл. 27.07.95. Бюл. № 21.
7. Белозубов Е.М., Патент РФ № 2032156. Датчик давления и способ его изготовления. Опубл. 27.03.95.

Ведущими зарубежными  производителями  тензорезисторных датчиков давления являются «OMEGA», «Nagano Keiki», «ADZ Nagano», «Trafag AG», «Bell & Howell», «Setra Sistem», «METALLUX», «Gefran», «Wika» «GFS», «Datametrics», «Siemens AG»), «Endress & Hauser», «Rosemount», «Boeinq Co», «Meclec Co», «Fischer&Porter»,   в России – ОАО «НИИ физических измерений», ЗАО «Манометр», ОАО “Теплоприбор”, ЗАО «НПК ВИП», ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М.В. Проценко», ОАО «НПП «Элемер», ООО «Сенсор», ОАО «НПП «Темп» им. Ф. Короткова», ОАО “Энгельское ОКБ “Сигнал” им. А.И. Глухарева и др. [8].

Датчик давления на основе тензорезисторной тонкоплёночной НиМЭМС конструктивно состоит из корпуса, НиМЭМС и различных дополнительных элементов. НиМЭМС преобразует давление в выходной электрический сигнал.

На рис. 1 представлена типичная тензорезисторная тонкоплёночная НиМЭМС датчика давления [5]. Основные её элементы: 1 – мембрана, 2 – периферийное основание, 3 – гетерогенная структура, 4 – выводные проводники, 5 – гермовыводы, 6 – граница мембраны.

Рис. 1 – Тензорезисторная тонкоплёночная  НиМЭМС датчика давления:

1 – мембрана, 2 – периферийное основание, 3 – гетерогенная структура, 4 – выводные проводники, 5 – гермовыводы, 6 – граница мембраны.

При конструировании НиМЭМС датчиков учитывают особенности и недостатки упругих элементов и тензорезисторов. Для повышения чувствительности тензоэлементы (тензорезисторы) размещают на упругих элементах НиМЭМС в зонах наибольших деформаций, а для уменьшения температурной погрешности датчиков материалы тензоэлементов  (тензорезисторов) выбирают с меньшим ТКС, используют мостовые измерительные цепи с термокомпенсационными элементами и др.

Изучение существующих и перспективных разработок производителей показывает, что перспективными направлениями создания тензорезисторных тонкоплёночных датчиков давления являются – основанные на использовании новых материалов и структур НиМЭМС, устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов (температур, виброускорений, ударов и т.п.) [9–13].

Выбор материалов для изготовления тензорезистивных элементов НиМЭМС осуществляют в основном по следующим параметрам: удельное сопротивление, коэффициент тензочувствительности, температурный коэффициент сопротивления (ТКС), температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР). Они определяют эффективность преобразования механической деформации в электрический сигнал, температурный диапазон работы и температурную погрешность датчика. Для изготовления тонкоплёночных резистивных элементов (тензорезисторов) датчиков механических величин применяются сплавы [14–21]:

- никеля и хрома с легирующими добавками Х20Н80 и Х20Н75Ю;

- керметный (хром и кремний с легирующими добавками) П65ХС, К50С, РС в различных модификациях (1004, 3001, 3710, 5402, 4400, 5406);

- вольфрама с рением ВР27ВП и молибдена с рением МР47ВП.

Недостатком сплава П65ХС при его применении для изготовления тензорезисторов НиМЭМС является высокое значение ТКС – не менее 1×10^-4 1/^◦С. В итоге изготовленные измерительные цепи имеют большую температурную погрешность, вследствие чего требуется введение терморезистора для компенсации разбаланса [17].

Сплавы рения с вольфрамом и молибденом (ВР27ВП, МР47ВП) относятся к жаропрочным, тугоплавким материалам. Они прочны и имеют хорошую коррозионную устойчивость. Однако эти сплавы не получили широкого распространения для изготовления тензорезисторов НиМЭМС вследствие большого отрицательного ТКС и высоких цен на редкоземельные элементы, входящие в основу сплавов. Сплавы ВР27ВП, МР47ВП можно использовать совместно с другими резистивными материалами, имеющими положительный ТКС для компенсации отрицательного значения [18]. Основные характеристики сплавов обобщены и сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Характеристики сплавов для тонкоплёночных тензорезисторов

РС сплавы (керметы для тонкоплёночного напыления) изготавливают в соответствии с ГОСТ 22025-76  в следующих модификациях: сплавы кремниевые резистивные 1004, 3001, 3710, 5402, 4400, 5406 (низко-дисперсный порошок 0,04–0,07 мм) [19, 20]. Удельное сопротивление – 0,5–5000 Ом·м. Применяются для получения тонкоплёночных резисторов, обладающих высокой износоустойчивостью, коррозионной стойкостью, хорошей адгезией с низким ТКС, работающих при температурах до 400 ^°С. Нанесение – вакуум-термическое испарение “взрывным” способом при 1300–1400 ^°С с использованием вольфрамовых или углеграфитовых испарителей. Изготовление резисторов возможно масочным способом и методом фотолитографии.

Наиболее широкое распространение благодаря простоте изготовления тонких тензорезистивных плёнок с приемлемыми характеристиками получил сплав Х20Н75Ю, а основным методом формирования таких плёнок стал метод термического испарения в вакууме. В настоящее время метод термического испарения в вакууме используется для изготовления тензорезисторных тонкоплёночных НиМЭМС датчиков механических величин. Так, он использован в [21] для формирования резистивных монослоёв из сплава Х20Н75Ю с положительным ТКС.  Слой же с отрицательным ТКС формируют электронно-лучевым испарением, при этом послойное формирование резистивных монослоев проводят в едином технологическом цикле.

К недостаткам использования метода термического испарения и применения сплава Х20Н75Ю можно отнести: относительно узкий температурный диапазон работы – от минус 196 до 150 °С  и не воспроизводимость  точного состава тензорезистивной плёнки, так как при применении термического испарения для получения резистивных плёнок происходит структуризация их в виде более тонких слоев хрома, никеля, алюминия и т.д. Объясняется это тем, что компоненты сплава Х20Н75Ю имеют разную летучесть при испарении, которая приводит к неконтролируемому составу тонкой тензорезистивной пленки. В итоге воспроизводимость тензорезисторов мостовой измерительной цепи оказывается не высокой, значения ТКС тензорезисторов значительно отличаются у НиМЭМС, изготовленных в разное время (в разных партиях,  в разных вакуумных циклах). Из-за этого НиМЭМС и датчики давления на их основе имеют большой разброс по температурной чувствительности, не всегда соответствуют предъявляемым техническим требованиям, оказываются непригодными для работы в условиях повышенных температур (свыше 150 °С).

Весьма перспективным для  получения тонких резистивных плёнок является метод магнетронного распыления, с его помощью представляется возможным обеспечить более высокую воспроизводимость состава тонких плёнок [22, 23]. При использовании двух мишеней из Ni и Cr в едином технологическом цикле можно осуществлять управляемый синтез тонких плёнок Ni-Cr и получать их заданный состав, что проблематично при термическом вакуумном испарении [24]. Однако для расширения температурного диапазона работы не обойтись без высокотемпературных материалов, применение которых для изготовления тензорезисторов исследовано мало.

Исследование высокотемпературных материалов W, Re, Mo, Ti и сплавов на их основе открывает возможность для улучшения температурных характеристик тензорезисторных датчиков физических величин. Практически не исследован для этих целей сплав Ni-Ti, между тем как имеются объективные предпосылки получения тонких плёнок заданного состава и физических свойств с использованием метода магнетронного распыления.

Для реализации метода магнетронного распыления из двух источников была выбрана и собрана конструкция магнетронного распылителя, представленная на рис. 2, предназначенная для получения тензорезистивных плёнок. Его магнитная система состоит из центрального 1 и  периферийных 2 магнитов (рис. 2), которые были изготовлены из самарий-кобальтового сплава (КС-37) и размещены на магнитопроводе 3 из электротехнической стали.  Магнитная система и радиатор 4 размещены в корпусе из нержавеющей стали 5, вокруг которого установлен экран 6, изолированный от катода фторопластовым изолятором 7. Магнетронный распылитель позволяет устанавливать мишени 8 диаметром до120 мми осуществлять их быструю смену. Два идентичных магнетронных распылителя (рис. 2) были установлены в камеру вакуумной установки УВН-71П3. На один распылитель устанавливалась мишень никеля (Ni), на другой – мишень титана (Ti). Описанная конструкция магнетронного распылителя хорошо зарекомендовала себя в процессе тестовых испытаний по формированию тензорезистивных тонких плёнок Ni-Cr и Ni-Ti.

Проведённый анализ тензорезистивных тонких плёнок и их применений в датчиках давления показал, что перспективным направлением исследований является создание  технологического процесса образования гетерогенных структур НиМЭМС с резистивными плёнками Ni-Ti, с использованием метода магнетронного распыления из двух источников. Для этого требуется определение режимов магнетронного распыления и разработка методик получения резистивных плёнок с заданным температурным коэффициентом сопротивления и удельным поверхностным сопротивлением.

                             Рис. 2 – Конструкция магнетронного распылителя:

1 – центральный магнит; 2 – периферийные магниты; 3 – магнитопровод; 4 – медный радиатор; 5 – корпус; 6 – экран-анод; 7 – изолятор; 8 – мишень (катод); 9 – токовод-штуцер подачи воды; 10 – кольцевой канал охлаждения.

Для получения тензорезистивных тонких плёнок Ni-Ti с новыми качественными и эксплуатационными показателями необходимо: экспериментально исследовать резистивные плёнки Ni-Ti,  установить зависимости их температурного коэффициента сопротивления и удельного поверхностного сопротивления от режимов магнетронного распыления; получить аналитические функции, устанавливающие связь между температурным коэффициентом сопротивления, удельным поверхностным электрическим сопротивлением и токами магнетронного разряда на мишенях из Ni и Ti; разработать методику получения резистивных плёнок Ni-Ti с заданным температурным коэффициентом сопротивления и удельным поверхностным сопротивлением методом магнетронного распыления из двух источников. Это достаточно большой объём исследований, который требует научного потенциала, материальных и трудовых ресурсов, значительного времени. Такие исследования реальны и их проведение целесообразно в интересах сохранения и завоевания передовых позиций отечественной промышленности в области датчикостроения.