ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ КРЕМНИЕВОГО
РЕЗОНАНСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ

Кудрявцева Дарья Александровна, аспирант, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10), dashuliy2308@yandex.ru
Цыпин Борис Вульфович, доктор технических наук, профессор, кафедра ракетно-космического и авиационного приборостроения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), cypin@yandex.ru

51-74:621, 681.5

Актуальность и цели. Объект исследования – конструкция кремниевого резонансного преобразователя давления. Предмет – температурная погрешность предложенной конструкции преобразователя. Цель работы – исследование влияние изменений температуры на выходной сигнал кремниевого резонансного преобразователя давления.
Материалы и методы. Приведены и обоснованы преимущества использования резонансного метода преобразования измерительных сигналов датчиков механических величин для создания средств измерений, отличающихся повышенной помехоустойчивостью. Предложена конструкция резонансного преобразователя давления в виде монолитной рамки со струной из монокристаллического кремния, работающей в режиме заданной длины. Рассмотрены преимущество монокристаллического кремния как материала для изготовления колебательного элемента. Приведены механические характеристики сплавов, традиционно применяемых в приборостроении для изготовления чувствительных элементов средств измерений деформационного типа. Исследована модель температурной погрешности резонансного преобразователя давления, полученная методом дифференцирования функции преобразования.
Результаты. Для исследования влияния температуры на функцию преобразования кремниевого резонансного преобразователя давления получена модель температурной погрешности и проведено математическое моделирование погрешности в диапазоне до 300 ºС для вариантов использования технологий классического приборостроения и МЭМС-технологий, предполагающих в первом случае применение прецизионных сплавов, а во втором – монокристаллического кремния.
Выводы. Результаты проведенных исследований показывают, что предложенная конструкция кремниевого резонансного преобразователя лишена недостатков, присущих традиционным вариантам с металлической струной, и обладает лучшей воспроизводимостью характеристик. Показано, что температурная погрешность предложенной кремниевой конструкции значительно меньше, чем у конструкции со струнами из прецизионных сплавов.

Ключевые слова

резонансный преобразователь давления, дополнительная температурная погрешность, прецизионные сплавы, кремниевая струна.

 Скачать статью в формате PDF

1. Карцев, Е. А. Датчики неэлектрических величин на основе унифицированного микромеханического резонатора / Е. А. Карцев // Приборы и системы управления. – 1966. – № 4.
2. Частотные датчики систем автоконтроля и управления: Библиотека по автоматике / Н. Т. Милохин. – Вып. 310. – М. : Книга по требованию, 2013. – 131 с.
3. Шикульский, М. И. Математическое моделирование микроэлектронных частотных датчиков давления / М. И. Шикульский // Исследовано в России. – 2005. – № 8. – С. 1810–1814.
4. Проектирование датчиков для измерения механических величин / под ред. Е. П. Осадчего. – М. : Машиностроение, 1979. – 480 с.
5. Лабутин, С. А. Анализ сигналов и зависимостей : учеб. пособие / С. А. Лабутин, М. В. Пугин. – Н. Новгород : Изд-во НГТУ, 2001. – 158 с.
6. Новицкий, П. В. Цифровые приборы с частотными датчиками. / П. В. Новицкий, В. Г. Кнорринг, B. C. Гутников. – Л. : Энергия, 1970. – 424 с.
7. Кучумов, Е. В. Струнный автогенераторный измерительный преобразователь на основе пьезоструктуры / Е. В. Кучумов, И. Н. Баринов, В. С. Волков // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2014. – № 2 (8). – С. 58–65.
8. Клементьев, А. В. Вторичный прибор для струнных датчиков. / А. В. Клементьев, А. Ю. Петров, В. Н. Дурчева, И. И. Загрядский // Датчики и системы. – 2004. – № 6.
9. Седалищев, В. Н. Физические основы использования в измерительных устройствах колебательных и волновых процессов : учеб. пособие. / В. Н. Седалищев. – Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2008. – 175 с.