22

Введение

1. Понятие и классификация датчиков

Научно–технический прогресс в промышленности, сельском хозяйстве, научных исследованиях, в сфере быта и обслуживания немыслим без широкой автоматизации, внедрения автоматических систем управления. Сейчас при стремительном развитии электроники и вычислительной техники особенно остро стоит проблема разработки и применения совершенных систем управления и измерительно–информационных систем. Однако реализация предпосылок для широкой автоматизации разнообразных процессов определяется возможностями устройств получения информации о регулируемом параметре или процессе. Первичную информацию чаще всего можно получить путем оснащения исследуемых или контролируемых объектов датчиками различных физических величин.

Мир датчиков чрезвычайно разнообразен: большое число измеряемых физических величин или параметров исследуемого объекта (температура, тепловые потоки, давление, расходы, скорости и т.д.); разнообразие физических зависимостей, используемых для измерительных преобразователей (терморезистивный, термоэлектрический, фотоэлектрический, пьезоэлектрический и другие эффекты); разнообразие современных объектов измерения, предопределяющих специфику требований к датчикам и измерениям в целом (ракетно–космическая техника, авиация, судостроение, энергетика, атомная техника, общепромышленные объекты и т.д.); разнообразие параметров и характеристик самих датчиков (чувствительность, диапазон измерений, быстродействие, точность, надежность, массо–габаритные размеры, глубина погружения чувствительного элемента и т.д.).

Любой вновь создаваемый технический объект, в особенности сложный, нуждается в экспериментальной обработке и проверке заложенных в нем проектных решений и расчетов. В процессе таких испытаний именно датчикам отводится наиболее ответственная и содержательная роль восприятия и первичного преобразования информации об испытуемом объекте. Для этого датчики должны наиболее точно соответствовать условиям измерений, а измерительные процедуры в последующих звеньях информационно–измерительной системы должны по возможности освободить результаты измерений от наслоения погрешностей в целесообразных и при этом допустимых пределах. Собственные погрешности датчика есть результат не только тех или иных досадных технических несовершенств, но и теоретическая неизбежность. Стремление получить больше информации от датчика (повысить его точность выше целесообразных пределов) неизбежно ведет либо к его крайней уязвимости и в результате – неработоспособности, либо к такому местному росту энтропии, что будет нарушен сам исследуемый процесс. Поэтому при проектировании датчиков применительно к конкретной измерительной задаче либо при выборе датчика из числа существующих должно быть достигнуто оптимальное соотношение между метрологическими и надежностными характеристиками датчика для данных условий измерений.

Сигнал с датчиков попадает на устройства обработки информации, после которых приобретает удобную для оператора или исследователя форму, по которой можно судить о том или ином параметре исследуемого объекта.

В последние 10–15 лет устройства обработки информации развиваются достаточно интенсивно. Прежде всего, это связано с огромными успехами микроэлектроники, радиотехники, ЭВМ. Устройствами обработки информации занимаются специальные НИИ и КБ, их выпускает ряд отраслей промышленности, разработаны специализированные рабочие установки. От характеристик устройств обработки информации зависят основные свойства измеряемого канала: точность, быстродействие, устойчивость к внешним воздействиям. В настоящее время имеется несколько тенденций, определяющих развитие электронных измерительных преобразователей для датчиков [1]:

1) применение новых, улучшенных аналоговых микросхем общего назначения;

2) широкое применение интегральных микросхем, специально предназначенных для работы с датчиками физических величин;

3) использование цифровой техники для повышения метрологических характеристик электронных измерительных преобразователей;

4) создание преобразователей с цифровым выходом;

5) разработка и изготовление электронных измерительных преобразователей в виде составных частей распределенных измерительных схем на основе центрального компьютера.

На фоне успехов в области обработки полученной информации с датчиков физических величин производство средств непосредственного восприятия первичной информации выглядит достаточно слабо.

Электронными датчиками занимаются в основном небольшие подразделения, отделы, лаборатории, группы на многочисленных предприятиях различных министерств и ведомств. Координация работ в области датчиков фактически отсутствует, не выработаны общие требования к конструкции, метрологическому обеспечению, нет унификации габаритных и присоединительных размеров, вида и величины выходных сигналов и т.д. [2].

Существующее положение дел может быть исправлено, если стратегию решения задачи строить, исходя из следующих предпосылок [3]:

1. число измеряемых параметров достаточно велико и может увеличиваться;

2. амплитудный и частотный диапазоны изменения измеряемых величин составляет десять и более порядков фактически с непрерывным заполнением;

3. параметры эксплуатационных условий изменяются в тех же пределах, что и измеряемые величины;

4. обязательный элемент конструкции любого датчика – преобразователь неэлектрической величины в электрическую – в настоящее время может строиться по любому из 20–30 наиболее популярных методов преобразования; эта цифра растет.

Единственным путем решения проблемы является широкая унификация всех этапов создания датчиков на основе комплексных методик, охватывающих все стадии существования датчиков – от технического задания на проектирование до этапа приемочного контроля после выработки ресурса.

С ростом автоматизации к датчикам физических параметров предъявляются разнообразные, часто противоречивые требования: долговременная стабильность работы, широкий диапазон условий эксплуатации (прежде всего по температуре), большой срок службы при высокой статической и динамической чувствительности, малые габаритные размеры и масса, малое потребление электрической энергии, способность группового способа производства при незначительных затратах, конструктивная и технологическая совместимость с микроэлектронными средствами. Кроме того, датчик должен не только нормально функционировать во всех рабочих средах контролируемого объекта, но и надежно работать как часть конструкции основного изделия.

Увеличение количества промышленных процессов, идущих в экстремальных условиях (высокие и сверхнизкие температуры, большие электромагнитные поля, высокий уровень радиации) требует от датчиков сохранения высоких рабочих характеристик в предельно тяжелых условиях эксплуатации.

Особое внимание при проектировании датчиков необходимо уделять тому, чтобы они могли без больших дополнительных затрат встраиваться в любую систему. Это модульное конструирование по правилам агрегатирования [3] и принципам системного подхода. Подобные задачи частично решаются за рубежом, например, фирмами Bruei & Kjaer (Дания), Endevco (США), Kistler (Швейцария) и др.

Электронные датчики являются обязательными элементами современных систем автоматического регулирования и управления, начиная от сравнительно простых систем и кончая сложными информационно–вычислительными комплексами, промышленными роботами последних поколений, роботизированными комплексами и системами искусственного интеллекта.

Анализ применяемости показывает, что по количеству потребляемых датчиков на первом месте стоит авиакосмическая техника, на втором – автомобильная промышленность, а на третье место выходят робототехника, гибкие производственные системы и системы автоматического управления сложными технологическими процессами [2].

За последние 25–30 лет сформировался ряд направлений развития электронных датчиков, выделяясь в отдельную самостоятельную отрасль, развитие которой не только не замедляется, но и заметно ускоряется. Это подтверждают имеющиеся данные [2,4,5] . Так, если в 1976–1983 гг. рост производства датчиков неэлектрических величин в США составил 94,7 % и рынок сбыта в 1984 г. составил 344 млн. дол., то с 1985 по 1990 гг. производство в США только полупроводниковых микроэлектронных датчиков выросло до 1,53 млрд. дол. В докладе, подготовленном одной из фирм США, указывается, что «если предыдущее десятилетие было десятилетием микропроцессоров, то следующее может стать десятилетием датчиков». По оценкам специалистов экономическая эффективность датчиков, т.е. отношение прироста национального продукта, связанного с их использованием, к стоимости датчиков доходит до 150.

В 1988 г. 1500 фирм выпустили датчиков на общую сумму более 8 млрд. дол., к 1993 г. их выпуск составил 13 млрд. дол., т.е. ежегодный прирост равен 8–10 %. Только в Западной Европе сегодня на рынке можно приобрести 50000 моделей датчиков для измерения около 100 параметров.

Среди зарубежных фирм, проявляющих наибольшую активность в области датчикостроения, следует выделить такие американские фирмы как Intel, Motorola, National Semiconductor, Texas Instruments, RSA, Bendix, Fenwal, Infrared–Industries и др., английскую Lucas, итальянские Magneti–Marelli, SGS–ATES, французские Jager, Thomson CSF, немецкие Endrich GmbH, TAD–Sensorik, Hottinger+Baldwin, Siemens AG, Panametrics, Telefunken, Zeybold–Heraeus, Texas–Instrum и др., японские Figaro Inc., Hamamatsu [4–7]. Помимо специализированных электронных, ряд фирм создали у себя отделы, занимающиеся разработкой электронных систем и датчиков, предназначенных для применения в собственных изделиях. Эта работа наиболее широко проводится автомобильными фирмами, так как электроника стремительно внедряется в автомобили. Мощные отделы и отделения электроники имеют следующие автомобильные фирмы: американские General Motors, Ford, Chrysler, немецкие Audi, BMW, Volkswagen, английская British Leyland, итальянская Fiat, французская Renault, японские Тойота, Ниссан моторс, шведская Volvo и др. По данным [7] к концу тысячелетия каждый третий датчик, производимый в мире, будет использован в автомобилях.

В СНГ одним из немногих предприятий, которое полностью специализируется на разработке датчиков физических величин, является НИИФИ [8]. На ракете–носителе «Энергия» и орбитальном корабле «Буран» было установлено более 3500 различных датчиков, разработанных НИИФИ для телеизмерения и локальных систем управления. Большой вклад в решение датчиковой проблемы внесли Всесоюзный институт метрологии им. Д.И. Менделеева и Всесоюзный НИИ метрологии и стандартных образцов Госстандарта СССР, создавшие образцы уникального оборудования для метрологической аттестации датчиков. Над созданием датчиков на основе технологии микроэлектроники работают Новосибирский электротехнический (НЭТИ) и Московский инженерно–физический (МИФИ) институты. И это далеко не полный перечень организаций, работающих над решением датчиковой проблемы.

В Республике Беларусь головной организацией по разработке и производству датчиковой аппаратуры является ГП Минский НИИ радиоматериалов. Одним из крупнейших предприятий, занимающихся производством датчиков, является новополоцкий завод «Измеритель».

По оценкам швейцарской фирмы Intechno Consulting AG, среднегодовой рост производства датчиков для гражданских отраслей промышленности западного мира в 1991–2001 гг. составит 7,8 %, в автомобильной промышленности 12,4 %, а в целом этот рынок за указанное десятилетие увеличится с 20,5 до 43,4 млрд. дол. (без учета выпуска датчиков в потребляющих их производствах). Прогноз динамики развития датчиков представлен в табл. 1–3 (в млрд. дол.).

Таблица 1

По различным отраслям промышленности:

Отрасли	1991	1996	2001
Машиностроение	2,3	3,3	4,6
Технологический контроль	7,1	10,4	14,3
Транспорт	2,9	5,1	9,3
Информатика и связь	1,1	1,7	3,0
Строительство, техника безопасности	1,3	1,7	2,2

По данным западногерманского объединения АМА соотношение традиционных и микроэлектронных датчиков, составлявшее в 1985 г. 10:1, в 1995–1996 гг. составило 1:1 [4].

Таблица 2

По измеряемым параметрам:

Параметры	1991	1996	2001
Концевые бесконтактные выключатели и индикаторы положения	2,3	3,3	4,6
Расстояние (линейное и угловое)	1,5	2,0	3,2
Давление	3,3	4,9	7,4
Температура	2,3	3,3	4,4
Концентрация химических веществ	1,5	2,1	3,1

Между западными странами потребление датчиков распределяется следующим образом (в %):

Таблица 3

Страна/год	1991	Прогноз на 2001
США	34,3	34,1
Япония	23,6	24,3
ФРГ	13,5	14,1
Франция	7,1	7,0
Англия	5,9	5,5
Италия	5,7	5,5
Остальные страны	9,9	9,5

Назначение и область применения датчиков показаны на рис. Анализ технических требований на перспективную датчиковую аппаратуру показывает следующую их приоритетность: повышение точности измерений, в том числе в динамическом режиме в 3–5 раз; долговременную стабильность метрологических характеристик в течение 15–25 лет (изменение параметров до 0,1–0,01 %/год); расширение диапазонов измерений в 5–10 раз (в основном в сторону низких диапазонов); уменьшение габаритных размеров и массы в 5–10 раз; расширение функциональных возможностей (самодиагностирование, калибровка, комбинированные чувствительные элементы); помехоустойчивость (к воздействию больших электростатических и электромагнитных полей); повышение тепло– и холодоустойчивости; снижение трудоемкости изготовления; интеграцию функционально–преобразующих звеньев (совмещение схем преобразования и формирования стандартных сигналов с чувствительным элементом датчика); надежность 0,999 [9].

В настоящее время отчетливо прослеживается тенденция миниатюризации чувствительных элементов полупроводниковых измерительных преобразователей (ИП). Это обусловлено, прежде всего, действием определяющего принципа в развитии современной электроники в направлении микроминиатюризации и, следовательно, необходимостью того, чтобы все элементы электронных систем и устройств были схемно, конструктивно и технологически совместимы. Кроме того, существуют специфические задачи, связанные с проблемой измерений с высоким пространственным

разрешением в локальных областях, узких каналах, в живых организмах и т.д., что требует миниатюризации ИП. Особое значение имеет также миниатюризация с целью создания интегральных ИП, в состав которых могут входить несколько чувствительных элементов (ЧЭ) разного типа, а также схемы питания, стабилизации, компенсации, усиления. Их применение в большинстве случаев может быть наиболее эффективным в условиях массового применения.

Микроэлектроника достигла такого уровня развития, что реальными стали сверхбольшие ИС с числом эквивалентных элементов 10⁵ на кристалл. В основе современного производства микросхем лежат планарно-групповая технология, микрометаллургия и использование высокопроизводительного оборудования. Изготовление на базе этой технологии более простых элементов ИП не представляет особого труда. Это в ряде случаев было продемонстрировано на примере такого полупроводника, как кремний, который в настоящее время является одним из основных материалов микроэлектроники. Из этого всесторонне освоенного промышленностью полупроводника может быть изготовлена широкая номенклатура различных полупроводниковых ИП. Однако ИП из кремния свойствены ограничения по чувствительности, линейности, рабочему диапазону температур, быстродействию и т.д. Кроме того, из-за широкого набора физических эффектов, на которых основаны ИП, а также из-за разнообразия условий их применения, подчас весьма жестких из-за высокого уровня разнообразных сопутствующих дополнительных нагрузок, в том числе комбинированных, вообще нет смысла говорить о каком–либо одном универсальном материале для изготовления ИП. И если вторичные устройства электронных регистрирующих или управляющих систем можно защитить или создать для них локальный микроклимат, то первичные преобразователи, как правило, работают в реальных условиях воздействия всей совокупности нагрузок от внешних факторов. Поэтому использование тонких пленок металлов и полупроводников перспективно для создания миниатюрных ИП. В случае полупроводниковых ИП при использовании тонкопленочной технологии получается целый ряд дополнительных преимуществ, в частности, обеспечивается существенное повышение пространственного разрешения, увеличение чувствительности, точности измерений. В пленочном состоянии твердые тела, и в частности полупроводники, имеют гораздо большее, чем у объемных кристаллов, многообразие структурных форм. Они могут быть получены в виде монокристаллических, поликристаллических или аморфных слоев. В пленочном состоянии в ряде случаев удается изготовить материалы и иногда реализовать типы кристаллических структур, которые невозможно получить в виде объемных кристаллов. Также в случае пленок можно получать слои различных разнородных веществ как в виде гетероструктур, так и в виде гомогенных фаз, что расширяет возможности создания измерительных преобразователей.

Эффективным направлением является комбинированное применение методов полупроводниковой и пленочной технологий. Обобщение опыта, накопленного при разработке ряда конкретных типов миниатюрных датчиков в основном на базе полупроводниковых материалов, уже находящих применение в промышленном производстве приборов, а также с использованием средств и приемов интегральной технологии, и является целью данной книги.