Ученые подведомственного Минобрнауки России Пензенского государственного университета (ПГУ) разработали чувствительный элемент для датчика быстропеременного и статистического давления. Предложение пензенских ученых сможет объединить два датчика в один. Благодаря новшеству снизится масса летающей конструкции — это критически важный параметр в авиации. Чувствительный элемент также найдет широкое применение в различных отраслях промышленности. Предложение запатентовано.
Важнейшим параметром для измерения и контроля во многих информационно-измерительных системах является давление. Такие системы используются повсеместно, начиная от бытовых приборов и заканчивая суперджетами. Контроль давления помогает избежать аварийных ситуаций и выхода из строя техники.
В настоящее время датчики давления основаны на различных физических принципах. Например, для измерения статистических давлений используют тензорезистивные датчики, основанные на тензоэффекте. А для измерения быстропеременных давлений используются пьезоэлектрические датчики, основанные на пьезоэффекте.
Конструкции датчиков, способные одновременно с заданной точностью измерять оба вида давления, в настоящее время серийно не выпускаются. Приходится устанавливать два разных датчика. Это приводит к увеличению массы, габаритов, энергопотребления измерительных систем.
В авиастроении, где важны массогабаритные параметры датчика, это становится проблемой.
Один из разработчиков Дмитрий Агафонов пояснил, что в авионике самолета нельзя обойтись без двух датчиков давления, которые измеряют статистическое и динамическое по отдельности. Приборная скорость находится между разницей двух видов давления.
«То есть, чтобы косвенно измерить скорость самолета (приборную скорость), требуются два датчика. Разумеется, приборная база становится больше в весе», — рассказал Дмитрий Агафонов.
Ученые Пензенского госуниверситета — канд. техн. наук, доцент кафедры «Приборостроение» Вадим Волков и магистрант Дмитрий Агафонов — первыми в мире предлагают создать новую конструкцию, в которой на одном чувствительном элементе изготавливаются два гальванически развязанных канала измерения давления: тензорезистивный и пьезоэлектрический. Это поможет создать один датчик вместо двух.
«Мы интегрируем тензометрические и пьезоэлектрические тонкие пленки нанометрового размера в одном чувствительном элементе. Это позволит существенно расширить функциональные возможности датчика, в частности использовать один датчик для измерения давлений в различных частотных диапазонах», — прокомментировал Дмитрий Агафонов.
В ПГУ создали многофункциональный чувствительный элемент по новой технологии. Ученые предложили использовать не объемную пьезокерамику, а напылять тонкие пленки с двумя разными функциями друг на друга.
Исследователь Дмитрий Агафонов пояснил, что объемную пьезокерамику в настоящее время нельзя совмещать с тонкопленочными тензорезисторами:
«А в нашем датчике как раз используются пьезоэлектрические тонкие пленки, которые относительно недавно начали находить широкое применение для измерения быстропеременных давлений».
За основу была взята известная технология для изготовления тензорезистивных датчиков.
Поясним. Тензорезистивные датчики — это датчики статистических давлений, созданные на основе тонких пленок. Технология изготовления многоуровневая. Тонкие металлические пленки напыляются на подложку путем физического осаждения. В зависимости от желаемого результата формируются различные структуры.
Новшество, которое предлагают пензенские инженеры, заключается в том, что вторым слоем на подложку с уже нанесенной металлической тонкой пленкой напыляется еще один слой пленок. Только пленки другие, которые обладают пьезоэлектрическим эффектом.
«Мы получили в одном чувствительном элементе два канала измерения: быстрых переменных давлений и статистических. Эти каналы никак электрически не взаимодействуют между собой», — рассказал Вадим Волков.
Один канал содержит чувствительный элемент на основе тонких тензорезистивных пленок металлических из нихрома, у второго — чувствительный элемент на основе тонких пьезоэлектрических пленок из нитрида алюминия.
Кроме того, конструктивно-технологическое решение значительно упрощает и удешевляет технологию производства. Чувствительный элемент с двумя каналами можно будет изготавливать в едином технологическом процессе.
На базе российского производителя радиодеталей и контрольно-измерительных приборов были созданы около 10 образцов чувствительного элемента.
В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина) их проверили на сканирующем атомно-силовом микроскопе.
Результаты апробации показали состоятельность предложения ученых из Пензы: объединить тензорезистивные и пьезоэлектрические тонкие пленки возможно.
«Полученные пленки имеют заданные параметры, они не отслаиваются. Объединенная технология нанесения разных видов пленок действительно работоспособна. Пленки в результате испытаний показали хорошую адгезию (прочное сцепление) с сосновой подложкой», — поделился результатами Вадим Волков.
Испытание многофункционального чувствительного датчика под давлением и электрическим током показало хороший пьезоэлектрический отклик — 1700 пА. По снимкам с микроскопа также видна однородная структура нанесенных пленок.
Следующий этап исследования — создание прототипа датчика с многофункциональным чувствительным элементом.
Такие датчики давления могут найти свое широкое применение в различных отраслях, включая авиацию, автомобильную и нефтегазовую промышленность. Они будут использоваться для мониторинга и контроля процессов, таких как сгорание топлива, изменение давления в трубопроводах и атомных реакторах. В атомной энергетике такие датчики давления будут играть критически важную роль, помогая контролировать давление в системах охлаждения и предотвращать аварийные ситуации, при этом сохраняя человеческие жизни.
Предложение запатентовано, на него также получено пять государственных свидетельств регистраций программного обеспечения. Исследование поддержано федеральной программой «УМНИК» и конкурсом «Ректорские гранты ПГУ».
Источник: Минобрнауки России
