Американская компания Kulite представляет на авиасалоне МАКС-2015 датчики давления, которыми будут оснащаться все опытные и серийные образцы перспективных российских турбовентиляторных двигателей ПД-14. Как рассказал изданию ATO Show Observer вице-президент компании Kulite Джордж Боктор, договориться с компанией “Авиадвигатель” было непросто, в 2012 г. были поставлены опытные образцы для испытаний, но теперь подписан долгосрочный контракт. Кстати, Kulite поставляет датчики давления и для двигателей семейства PurePower компании Pratt & Whitney, которыми также будет оснащаться перспективный российский самолет МС-21. Кроме того, датчики Kulite используют практически все двигателестроители мира — благодаря пьезорезистивной технологии ресурс датчика получается практически безграничным, при этом по мере выработки ресурса датчики не деградируют и не снижают точности показаний, которые необходимы для нормальной работы электронной системы управления двигателя FADEC.
Вы прочитали 66% текста.
Это закрытый материал портала ATO.RU.
Полный текст материала доступен только по платной подписке.
17 ₽ в день
Подписка на материалы ATO.ru
предоставляет доступ ко всем закрытым материалам сайта – новостям, аналитике,
инфографике – уникальному контенту, каждый день создаваемому редакцией ATO.ru.
Кроме этого, Вы получаете доступ к материалам “Ежегодника АТО” и ко всему архиву
журнала “Авиатранспортное обозрение”, выходившему с 1999 по 2019 год.
Услуга “Автоплатеж”. За двое суток до окончания вашей подписки, с вашей банковской карты автоматически спишется оплата подписки на следующий период, но мы предупредим вас об этом заранее отдельным письмом. Отказаться от этой услуги можно в любое время в личном кабинете на вкладке Подписка. Подробные условия автоматической пролонгации подписки.
Приобретение бумажных и pdf-версий изданий
ИД “А.Б.Е.Медиа”, включая Ежегодник АТО и архивные номера журнала “Аввиатранспортное обозрение”:
Я подписчик / Я активировал промокод.
Если у вас есть неактивированный промокод, авторизуйтесь/зарегистрируйтесь на сайте и введите его в своем Личном кабинете на вкладке Подписка
Американская компания Kulite поставила датчики давления нового поколения для российского перспективного двигателя ПД-14. По словам вице-президента компании Джорджа Боктора, сейчас российский разработчик оценивает работу американских датчиков, после чего будет принято решение о их использовании на новом двигателе.
Для Kulite это не первый опыт работы на рынке России и СНГ, куда она впервые вышла в 2003 г. Эта американская компания из штата Нью-Джерси является крупнейшим производителем датчиков давления, которые применяются как в авиадвигателях, так и в самолетных гидравлических системах и системах кондиционирования. Датчики Kulite работают на основе пьезорезистивных технологий, что делает их ресурс практически неограниченным. Клиентами Kulite выступают такие известные мировые производители, как Pratt & Whitney, Rolls-Royce, Parker, Snecma, Messier Bugatti и Hamilton Sundstrand. Американские пьезорезистивные дачики уже давно используются на двигателях украинской разработки Д-436-148 и АИ-222-25. В России продукция Kulite стоит на двигателях ПС-90А2.
Вы прочитали 74% текста.
Для реализации задач создания высокоэффективных информационно-измерительных систем (ИИС) управления и контроля авиационной и ракетно-космической техники требуется
создание широкой номенклатуры датчиковой аппаратуры с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Значительные отличия технических требований к датчиковой аппаратуре авиационных и ракетно-космических систем, особенно систем
многоразового использования, привели к тому, что начиная с 1980-х
годов более 90% датчиковой аппаратуры было разработано вновь, при
этом понадобилось резко изменить традиционные подходы к конструированию и технологии изготовления датчиковой аппаратуры.
При внешней простоте и миниатюрности датчик — это сложнейшее физическое устройство. Кроме экстремальных условий работы
(широких диапазонов температур, больших температурных перепадов, вибраций, акустических шумов, линейных ускорений, механических и гидравлических ударов и т. п.), датчик должен иметь механическую прочность выше механической прочности в том месте,
где он установлен, поскольку для выявления предельных нагрузок
в экстремальной ситуации датчик должен обладать бóльшим ресурсом, чем конструкция. Датчик должен отличаться минимальными
массой и электропотреблением, что естественно, так как при тех количествах, в которых используются сегодня датчики на изделиях,
они не должны ухудшать тактико-технические характеристики самих
изделий. И при всех указанных условиях датчик является средством
измерения с гарантированными точностными характеристиками
на протяжении всего срока службы, который сейчас исчисляется годами, а в ближайшее время составит десятки лет.
Функционально датчик играет роль основного информативного
элемента о контролируемом или измеряемом физическом параметре.
На объекте он подвергается одновременному воздействию большого
количества дестабилизирующих факторов, которые, если не принять
определенных мер, искажают истинную информацию о поведении
объекта.
Рис. 1. Влияние дестабилизирующих факторов (температуры и вибрации)
в различных отраслях
Рис. 2. Вариант размещения ВДД в двигателе
Это позволит осуществлять оперативный контроль рабочего процесса
двигателей, проводить регулировки двигателя с оценкой тепловых параметров во всех цилиндрах, своевременно выявлять возникающие неисправности, устранять межцилиндровую и межцикловую нестабильности, накапливать информацию в базе данных для последующей оценки
изменения технического состояния двигателя. На основании полученных данных можно обеспечить идентификацию неисправности деталей
топливной аппаратуры, выявить нарушение фаз топливоподачи, износ
поршневых колец и втулки цилиндра, прогар выпускных клапанов,
а также неисправность турбокомпрессора.
Кроме контроля давлений в двигательных установках, изделиях авиационной и ракетно-космической техники, существует необходимость
измерения давлений в нефтегазовой отрасли, например, геотермические и гидрогеологические исследования нефтяных и газовых скважин,
процессов бурения, контроль работы установок добычи нефти и газа,
где температура измеряемой среды может достигать значений 600 °C
и где также предъявляются высокие требования по метрологическим
и эксплуатационным характеристикам.
- диапазон измерений — от 0,01 до 100,0 МПа;
- выходной сигнал при максимальном давлении — не менее 50 мВ;
- основная погрешность — не более ±0,2% от максимального давления;
- температурное смещение начального выходного сигнала и изменение чувствительности — не более 0,02%/°C;
- рабочий диапазон температур — от –100 до +900 °C;
- долговременный дрейф от Pmax — не более 0,01%/год при условии
применения ограниченной номенклатуры отечественных электрорадиоизделий особой категории качества; - необходимость достижения улучшенных массо-габаритных характеристик при одновременном выполнении особых конструктивных
требований, заключающихся в реализации механических присоединений посредством резьбовых соединений, а электрических — посредством разъемов.
Сегодня известно около 200 кристаллических модификаций SiC.
Таким образом, карбид кремния — один из наиболее ярких представителей политипных соединений. Основными же политипами для создания
электронных приборов, в том числе ЧЭ ВДД, стали 3C-, 6H- и 4Н-SiC.
Далее будут представлены состояние
разработок, тенденции развития, а также
конструктивно-технологические проблемы
создания ВДД на основе карбида кремния.
Остановимся на некоторых, наиболее характерных существующих конструктивнотехнологических решениях, примененных
упомянутыми фирмами по исследуемому
направлению, с целью идентификации и анализа их достоинств и недостатков.
Рис. 3. ЧЭ ВДД фирмы Kulite
В конструкции на рис. 3 изоляция элементов схемы осуществляется с помощью
SiC p-n-перехода, что устраняет такие проблемы, как неоднородность структуры и деградационные явления на границе раздела
«SiC – SiO2», а мембрана выполнена из SiC,
что, безусловно, гарантирует стабильность
метрологических характеристик ВДД при
температурах более 450 °C (сравнительно
с кремниевой мембраной).
Рис. 4. Конструкция ВДД с ЧЭ на КНД-структуре
с использованием технологии беспроводной сборки
Данные решения позволяют создавать как
ВДД (более 450 °C без использования принудительного охлаждения), так и датчики,
не чувствительные к линейному ускорению до 10 000 g и синусоидальной вибрации
до 100 g при частоте до 2000 Гц.
Рис. 5. Преобразователь давления на основе
6Н-SiС тензорезисторов на 6Н-SiС подложке
Особенность данной конструкции в том, что
составляющие ее материалы обладают согласованным температурным коэффициентом
линейного расширения (ТКЛР), что значительно снижает механические напряжения, вызванные возможным рассогласованием по ТКЛР
элементов конструкции, приводящие к полному разрушению датчика либо значительно
увеличивающие мультипликативную и аддитивную составляющие погрешности при температуре эксплуатации до 600 °C. В качестве
промежуточных элементов между ЧЭ из SiC
и корпусом из стали могут быть использованы
такие материалы, как AlN, ковар, то есть соответствующие материалу ЧЭ по ТКЛР.
Рис. 6. ЧЭ на основе 3C-SiC тензорезисторов
Монокристаллические ЗС-SiС тензорезисторы показали чувствительность 177,6 мВ/В/psi
при комнатной температуре и 63,1 мВ/В/psi
при температуре 400 °C. Их оцененный продольный коэффициент тензочувствительности оказался равным 18 при комнатной температуре, а при 400 °С упал до 7.
Датчик был испытан в диапазоне температур от 20 до 600 °C. При этом чувствительность при комнатной температуре составила 2,0 мВ·В–1·бар–1. Температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ)
в диапазоне температур от 20 до 500 °C был
равен –0,16%/°C. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) поликристаллического терморезистора равен –0,17%/°C во всем
диапазоне температур.
Рис. 7. Температурные зависимости удельного поверхностного сопротивления моно- и поликристаллических пленок 3C-SiC
Рис. 8. Датчик давления на основе SiC
Для обеспечения однородности по толщине при изготовлении мембраны использовалось ультразвуковое сверление. Для
ограничения перемещения выступа по технологии реактивного ионного травления и ультразвукового сверления была изготовлена
нижняя пластина. Она прикреплена к непланарной стороне ЧЭ (рис. 9). Для обеспечения возможности эксплуатации кристалла
при высоких температурах использована
схема металлизации на основе вольфрама.
Топология слоя металлизации предусматривает как проволочный монтаж, так и сварку
для электрических соединений.
Рис. 9. Поперечный вид ЧЭ
Для исследования ЧЭ фирмой Gefran была
разработана новая технология корпусирования, когда давление передается от мембраны
к ЧЭ посредством штока толкателя (рис. 8).
Благодаря правильному выбору материалов по коэффициенту теплового расширения и улучшенной механической развязке
между разными деталями корпуса, влияние
температуры на точность измерений давления сведено к минимуму, что подтверждается результатами моделирования.
Измерения давления проводились в температурном диапазоне от 23 до 400 °C. При токе
питания 1 мА и температуре 23 °C чувствительность к давлению составляла 330 мкВ/бар.
С ростом температуры чувствительность
монотонно падает, но при 400 °C она все еще
составляет 200 мкВ/бар. Это поведение соответствует температурному коэффициенту выходного сигнала порядка –0,1%Uвых/°C.
На рис. 10 представлена температурная зависимость сопротивления тензорезисторов.
Как уже отмечалось, представленные данные отличаются от более ранних сведений
(рис. 7), и являются более адекватными реальным значениям.
Рис. 10. Температурная зависимость сопротивления тензорезисторов
Таблица. Основные характеристики ЧЭ
преобразователя давления
Диапазон номинальных давлений, кПа
от 102 до 16×103
Диапазон измеряемых (рабочих) температур, °С
от –50 до +450
Стабилизированное напряжение питания, В
5,0
Номинальный выходной сигнал (по давлению), мВ
от 25 до 30
Нелинейность выходного сигнала, %
0,1; 0,25; 0,5
Основной конструкционной особенностью данного ЧЭ ВДД является использование структуры «карбид кремния на диэлектрике» (рис. 11).
Рис. 11. Конструкция ЧЭ ВДД
Анализируя научно-технические публикации, а также патентную информацию, представленные выше, можно актуализировать
тенденции развития по указанному направлению и обобщить исследования и разработки в области создания ВДД на основе карбида
кремния, которые заключаются в следующем:
- За последние 10–15 лет размеры коммерческих SiC-подложек увеличились более
чем в десять раз, а плотность их дефектов
уменьшилась на три порядка. С каждым годом улучшаются параметры SiC-приборов
и растет число компаний, занимающихся
их разработкой. Исследования карбида
кремния все больше переходят из университетских лабораторий в лаборатории
промышленных компаний. Карбид кремния выделяется среди других политипных
соединений как наличием большого числа
стабильных политипов и большой разницей в их электрофизических свойствах,
так и высокой термической, химической
и радиационной стойкостью. - С применением данного политипа возможно формировать бóльший по сравнению с другими политипами размер
исходной пластины. - Меньшие временные затраты на выращивание слоев SiC, относительно низкая
стоимость, обусловленная возможностью выращивания поликристаллических форм на кремниевой подложке. - Существующие методы формирования 3С-SiC позволяют получать слои
с улучшенными электрофизическими
характеристиками, в том числе монокристаллический 3С-SiC, что до последнего
времени являлось сдерживающим фактором по использованию 3С-SiC, так как
наличие остаточных напряжений на границе раздела 3С-SiC-Si значительно
уменьшало соотношение «сигнал/шум»
при использовании тензорезистивного
принципа преобразования. - Энергия ионизации донорной примеси
для 6H-SiC — больше энергии ионизации для 3C-SiC, то есть ТКС тензорезисторов будет обладать более ярко выраженной нелинейностью. - 3C-SiC, получаемый гетероэпитаксией
на кремнии, не интенционально обладает электропроводностью n-типа, при
этом концентрация основных носителей
является достаточной для формирования ЧЭ ВДД.
Ограничением для использования 3С-SiC
в ВДД является наличие кремниевого основания, которое исключает использование датчиков при температурах более 450 °C. В некоторых решениях, когда кремний хотя и является основанием ЧЭ, не выступает в роли
воспринимающего давление элемента, и его
механические характеристики, по сути,
остаются постоянными в процессе измерений во всем интервале температур, удалось
устранить данный недостаток, но ценой
ухудшения технологичности изготовления
ЧЭ. Кроме того, существуют значительные
термические и структурные рассогласования на границе раздела между β-SiC и Si (8%
и 20% соответственно), что обуславливает
формирование p-n-переходов низкого качества, а SiO2, полученный на 3C-SiC, обладает
высокой плотностью дефектов.
Кроме того, гетеропереходы, образующиеся на границе раздела SiC/Si, являются
причиной возникновения высоких токов
утечки при повышенных температурах.
Использование структур «карбид кремния
на изоляторе» не всегда приводит к устранению данной проблемы, так как между изоляционным слоем двуокиси кремния и слоем 3C-SiC существует тонкий слой кремния,
не полностью преобразовавшийся в карбид
кремния при проведении операций по гетероэпитаксиальному наращиванию 3C-SiC,
что приводит к образованию нежелательных
гетеропереходов и так называемых «гибридных» (SiC/Si) тензорезисторов.
- В качестве материала для тензорезисторов
в ВДД на основе карбида кремния предпочтительнее использовать SiC n-типа проводимости, так как:
В связи с более высокой энергией активации примеси p-типа для невырожденного β-SiC примеси ионизируются при
более высоких температурах окружающей среды, поэтому ТКС тензорезисторов будет обладать более ярко выраженной нелинейностью, чем в случае β-SiC
n-типа проводимости.
Метод формирования омических высокотемпературных контактов для n-β-SiC исследован и технологически освоен
в большей степени.
Тензорезистивные свойства n-β-SiC исследованы в большей степени, чем аналогичные свойства p-β-SiC.
Методы травления n-β-SiC с точки зрения формирования измерительной схемы с использованием p-β-SiC в качестве
стоп-слоя исследованы и широко применяемы, в то время как аналогичное травление p-β-SiC и использование n-β-SiC
в качестве стоп-слоя в достаточной степени не освоены. - В связи с более высокой энергией активации примеси p-типа для невырожденного β-SiC примеси ионизируются при
более высоких температурах окружающей среды, поэтому ТКС тензорезисторов будет обладать более ярко выраженной нелинейностью, чем в случае β-SiC
n-типа проводимости. - Метод формирования омических высокотемпературных контактов для n-β-SiC исследован и технологически освоен
в большей степени. - Тензорезистивные свойства n-β-SiC исследованы в большей степени, чем аналогичные свойства p-β-SiC.
- Методы травления n-β-SiC с точки зрения формирования измерительной схемы с использованием p-β-SiC в качестве
стоп-слоя исследованы и широко применяемы, в то время как аналогичное травление p-β-SiC и использование n-β-SiC
в качестве стоп-слоя в достаточной степени не освоены.
Кроме того, уровень легирования тензорезисторов обратно пропорционален амплитуде выходного сигнала и прямо пропорционален ее временной стабильности. Поэтому
вырожденный β-SiC может являться наиболее оптимальным вариантом с точки зрения
временной стабильности выходного сигнала
преобразователя.
- Обеспечение надежной и адекватной
жестким условиям применения контактной металлизацией, так как при
температурах около 600 °C SiC, реагируя
с металлами, проявляет склонность к образованию карбидов и/или силицидов,
что отрицательно влияет на металлические контакты, ухудшая характеристики
ВДД, когда колебания контактного сопротивления при повышенных температурах
могут быть неотличимы от изменения
вследствие тензорезистивного эффекта. - Существует значительная остаточная термическая деформация ЧЭ на основе карбида кремния, которая выражается в наличии выходного сигнала с датчика после
воздействия температур более 500 °C при
отсутствии входного воздействия. - Существует нелинейное изменение сопротивлений тензорезисторов из SiC
в широком интервале температур, в связи чем необходимо введение температурной компенсации в измерительную
схему ЧЭ, что создает определенные
проблемы, прежде всего — технологического характера, так как при проведении операций диффузии и ионной имплантации по формированию элементов
термокомпенсации необходимо использование температур вплоть до 1900 °C,
когда происходит сублимация атомов Si,
что в свою очередь обуславливает применение дополнительных мер по устранению или минимизации нежелательных последствий. - Срок службы ЧЭ на основе SiC при температурах более 500 °C ограничивается
не самим полупроводником, в большей степени он зависит от надежности
и устойчивости различных границ раздела с поверхностью кристалла SiC, в том
числе электрической целостностью границ раздела «оксид – полупроводник»,
которая характеризуется высокой плотностью состояний, в отличие от границы
раздела Si–SiO2. - Необходимо развитие и совершенствование технологии сборки ВДД на основе карбида кремния с точки зрения
удовлетворения требований механической работы системы («ЧЭ – корпус
датчика»), то есть уменьшение термомеханических напряжений, обусловленных несовпадением КТР материала ЧЭ,
корпуса и других составных элементов
датчика. Данная проблема фактически
не нашла решения в существующей патентной документации и практически
не отражена в научно-технической документации, касающейся ВДД.
Кроме того, анализ соответствия достигнутых характеристик и обобщенных требований позволил установить, что в силу противоречивости и трудности их одновременного
удовлетворения в настоящее время не созданы образцы ВДД на основе карбида кремния,
технические характеристики которых обеспечивали бы решение задач совершенствования
изделий авиационной, ракетно-космической
и гражданской техники. Многообразие решаемых задач не позволит также реализовать
указанную номенклатуру требований с применением одной универсальной конструкции или метода.
Можно предположить, что неудовлетворительное состояние исследований, направленных на создание ВДД на основе карбида
кремния, объясняется отсутствием технологической составляющей (выращивание слоев SiC, легирование, диффузия, температурная компенсация слоев на этапе эпитаксии
и т. д.), а большинство методов ее обеспечения не обладает требуемой эффективностью,
так как не в полной мере отражает процессы
функционирования реальных ВДД.
В этой связи теоретические методы обеспечения обобщенных требований к ВДД
на основе карбида кремния требуют дальнейшего исследования и развития. n
Литература
