ЛИТЕРАТУРА
1. Преобразователь механических величин (Колешко В.М., Мешков Ю.В., Бар- калин В.В.) - авторское свидетельство СССР N 1634063.2. Преобразователь меха
нических величин (Колешко В.М., Мешков Ю.В., Баркалин В.В.) - авторское сви
детельство СССР N 1634111. 3. Преобразователь давления (Колешко В.М., Меш
ков Ю.В., Баркалин В.В.) авторское свидетельство СССР N 1572187.4. Преобра
зователь механических величин (Колешко В.М., Мешков Ю.В., Баркалин В.В.) - авторское свидетельство СССР N 1378721. 5. Преобразователь механических ве
личин (Колешко В.М., Мешков Ю.В., Баркалин В.В.) - авторское свидетельство СССР N J426400.6. Преобразователь механических величин (Колешко В.М., Меш
ков Ю.В., Баркалин В.В.) - авторское свидетельство СССР N 1410642. 7. Устрой
ство на поверхностных акустических волнах (Колешко В.М., Мешков Ю.В., Барка
лин В.В.) - авторское свидетельство СССР N 1436831.
У Д К 6 2 1 3 7 3 9 : 5 3 4
В. М. Колешко, В. В. Баркалин, £ . В. Полынкова
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
зависимости этих коэффициентов от внешних воздействий указанные два требова
ния в общей форме оказываются противоречивыми, а ПАВ-структуры по самой своей природе ~ многофункциональными.
В этой связи в предпочтительным выглядит кибернетический подход, подразу
мевающий разработку интегральных многофункциональных сенсорных систем одновременного контроля нескольких параметров внешней среды и звукопроводо- ва ПАВ. Преобразование внешних воздействии в электрический сигнал осуществ
ляется по нескольким каналам путем организации многоканального выходного сиг
нала, из которого выделяются данные о параметрах воздействия. Использование нескольких каналов позволяет снять присущие однофункциональным преобразо
вателям ограничения на точность и стабильность и добиться радикального улуч
шения характеристик преобразователей информации на ПАВ без ужесточения тех
нологических требований к их производству.
В настоящее время достигнута степень интеграции сенсорных и процессорных элементов вплоть до гибридных одноплатных схем и микросборок, в которых од
нофункциональные чувствительные элементы на ПАВ и микросхемы обработки размещаются в одном корпусе. В то же время известны разработки однокристаль
ных сенсорных систем, в которых чувствительный элемент отличного от ПАВ типа и схема обработки интегрированы на одном кристалле. Такая степень интеграции становится совершенно необходимой при использовании ПАВ-структур в качестве сенсорных элементов интеллектуальных микроэлектромеханических систем.
Существенным этапом разработки таких систем является создание элементной базы многофункциональных сенсорных систем на ПАВ. При этом необходимо сен
сорные системы на ПАВ рассматривать как логико-динамические системы, струк
турно совмещающие динамическую и информационную компоненты процесса кон
троля внешних воздействий.
Анализ предложенных конструкций сенсорных систем на ПАВ показал, что наиболее перспективной элементной базой интеллектуальных МЭМС на ПАВ яв
ляются автогенераторы на ПАВ, позволяющие интегрировать многофункциональ
ные чувствительные элементы на ПАВ и быстродействующие логические элемен
ты в микроэлектронном исполнении для получения высокочастного выходного сиг
нала. ПАВ-структура при этом включается в цепь обратной связи широкополосно
го усилителя, образуя генератор, выходная частота которого зависит от величины и характера внешних воздействий. Высокостабильные автогенераторы высокой час
тоты получаются при использовании быстродействующих логических элементов с эмиттерно-связанной логикой. Базовые э.с.л.-элементы ИЛИ-НЕ имеют парафаз- ный выходной сигнал и отличаются высокой стабильностью динамических пара
метров при изменении рабочей температуры и напряжения питания и высокой помехоустойчивостью.
На рис. 1 представлены базовые схемы ПАВ-генераторов на основе указанных логических элементов, в которых в качестве чувствительного элемента использо
ваны двухвходовые ПАВ-резонаторы, содержащие идентичные входной 1,2 и вы
ходной 3,4 аподизированные ВШП с периодом 32 мкм и распределенные отража
тели из 600 канавок глубиной 0,4 мкм в каждом. Указанные резонаторы имели эф
фективную добротность в 50-омном тракте (1,4-1,8)х10'* и вносимые потери 5,5- 7,5 дБ. Особенностью указанных схем является отсутствие реактивных согласую
щих и корректирующих цепей, что позволило повысить стабильность автогенера
торов и реализовать их полностью интегральную конструкцию.
Рис.1. Принципиальные схемы ПАВ-генераторов (а-^) и дифференциальная автогенера- торная схема (г). M l М4, М5 - К500ЛМ105, М2 - К500ЛМ102, МВ - КЗООЛППб.
На этом же рисунке представлена дифференциальная схема на смесителе, вы
полненном также на э.с.л.-элементе ИЛИ-НЕ, работающем в ключевом режиме. На выходе этого элемента формируются импульсы, модулированные по ширине, с ча
стотой модуляции, определяемой разностной частотой автогенераторов. Разно
стная частота выделяется с помощью фильтра нижних частот, образованного вход
ными цепями еще одного э.с.л.-элемента, служащего также разрязкой, нагрузоч
ным сопротивлением и конденсатором.
На рис, 2 представлены типичные зависимости вариации частоты ПАВ-генера- тора от сопротивлений обратной связи и нагрузки. Устойчивая генерация наблюда
ется в диапазоне сопротивлений обратной связи 1 - 1 0 кОм. Наибольшее быстро
действие э.с.л.-элементов достигается при сравнительно высокой потребляемой мощности микросхем и низким сопротивлении нагрузки (100-500 Ом).
Рис. 2. Зависимость изменения выходной частоты ПАВ-генератора: а - о т сопротивле
ния резистора обратной связи и нагрузочного резистора б - о т температуры окру
жающей среды (Roc^S кОм (1,3), - и функция температуры (2), R ^-0,3 кОм (1, 2, 3)).
На том же рисунке представлены зависимости частоты ПАВ-генератора от тем
пературы при термостабильном резисторе обратной связи. В диапазоне 240-320 К величина температурного коэффициента частоты составляет 6x10'^ К ^ Можно зна
чительно снизить дрейф параметров автогенератоа при использовании зависимос
ти частоты генерации от сопротивления обратной связи. На рис. 2, б представлена зависимость частоты генерации от температуры при использовании в качестве ре
зистора обратной связи терморезистора с отрицательным температурным коэффи
циентом сопротивления.
Представленные схемы автогенераторов на ПАВ характеризуются высокой крат
ковременной, температурной и режимной стабильностью, малой массой и габари
тами. Они использовались при разработке прецизионных сенсоров на ПАВ.
Разработанные сенсорные системы на ПАВ на описанной элементной базе обес
печивают достижение следующих параметров;
Таблица 1 Параметры элементов микроэлектромеханических сенсорных систем на ПАВ
Параметр Рабочая частота ПАВ-структур Выходной сигаал
Коэффициенты преобразования:
по температуре по давлению
по электрическому полю п оО г
поСО г
__________ по Нг___________________
Кратковременная нестабильность ПАВ- генсраторов на основной частоте Режимная нестабильность н а основной частоте ____ _______________________
Значение 100.1000 М Гц
частотный в диапазоне 1-1000 кГц до 8 кГц/К
0.1-0.4 кГц/мм.рт.ст.(в диапазоне 30-800 мм.рт. ст.) 3 -1 0 кГц/мм.рт.ст.(в диапазоне 10‘^-10 мм.рт. ст.) до 100кГц/В
до 1 кГц/об.%
до 5 кГц/об.%
до 2 кГц/об.%____________________________________
10-*-Ло^
4х1амЎв
При их разработке исследовалась многопараметрическая чувствительность при максимально полном учете всех каналов внешнего воздействия на характеристики ПАВ, что позволило решить проблемы достижения функциональной интеграции сенсорных ПАВ-структур и схем обработки информации в сенсорных системах, а также интеллектуальных алгоритмов такой обработки.
В совокупности полученные автогенераторные устройства образуют элемент
ную базу нового класса прецизионных сенсорных систем, характеризующихся не
высокой стоимостью и небольшим энерго- и ресурсопотреблением.
Для интеграции интеллектуальных сенсорных ПАВ-систем на указанной эле
ментной базе разработан «интеллектуальный» сенсорный микрокомпьютер мик
ропроцессорного контроля и управления, снабженный различными органами очув
ствления и воспринимающий информацию о внешней среде.
Микрокомпьютер позволяет получать информацию об основных физичес
ких параметрах внешней среды либо подлежащих контролю внешних объектов и на этой основе производить управление ими. Снабжен специально разрабо
танными контрольно-управляющими микросхемами с чувствительными элемен
тами на ПАВ, позволяющими осуществлять преобразование физических вели
чин (разрежение, давление, сила, ускорение, угловая скорость, температура, влажность, концентрации различных газов и др.) в частотный сигнал и далее в цифровой или аналоговый код. В частности, контрольно-управляющие микро
схемы (КУМ) по давлению, разрежению имеют следующие параметры: разре
жающая способность (1-2)-10’^ %, повторяемость (4-5)-10'^% , гистерезис 10‘2 %, нелинейность 0,1-*-0,3%, коэффициент преобразования (100-*'400) Гц/мм рт.ст. По температуре: коэффициент преобразования 2,3 5-5-9,2 кГц-К’^ диапазон контролируемых температур от минус 60°С до плюс 200°С. Девиация выходно
го сигнала микросхем для контроля влажности составляет 30 кГц при измене
ний относительной влажности от 30 до 100 %.
Таблица 2 Технические характеристики микрокомпьютеракомпьютера
Разрядность вычислителя
Характеристика Быстродействие вычислителя, оп/с, не менее Объем оперативной памяти, кбайт Объем памяти программ, кбайт Число дискретных входов
Число дискретных выходов с нагрузкой не менее 100 мА Входы аналоговые 0 -2 0 мА/1 о разрядов
Количество каналов обеспечивается коммутатором с частотой переклю чения
не более 5 мс. __________________ ______
Число частотных входов -1 ,(^2 0 0 ОООГц Интерфейс с машинистом оператором Клавиатура
Индикатор
Звуковая сигнализация Световая индикация (световоды) И сточник питания
обеспечивает нормальную работоспособность микрокомпью тера при помехах по цепям питания в соответствии с руководящ ими материа
лами для разработки бортовой техники. Питание микрокомпью тера имеет гальваническую развязку с бортсетью. Имеет защ иту от перенапряжений, п ф егр у зки током, переполюсовки. Все входы и выходы микрокомпью тера помехозащищены.________________________
М асса микрокомпьютера, кг, не более Число выходов ЦАП по току 0~20 мА /10 раэр.
Имеется внешний интерфейс для вклю чения в локальную сеть маш ин (ИРПС) токовая петля.____________________________________________________
Значение 16 0 ,3 1 0 16 16 16
16 клавиш 8 знакомест 1 канал 16 +12 В (1 0,8-15 В) +24 В (21.6-ЗО В )
Микрокомпьютер может выполнять следующие функции: 1) автоматический контроль состояний агрегатов машин и оборудования; 2) диагностику их неисправ
ностей; 3) выработку команд управления технологическим процессом; 4) форми
рование цифровых и буквенных сообщений на экране однострочного индикатора;
5) выполнение команд оператора при работе с клавиатурой.
Микрокомпьютер может применяться в различных областях, начиная с авиаци
онной техники и кончая сельскохозяйственным машиностроением. Конструктив
ное исполнение предусматривает возможность его использования в трудных усло
виях окружающей среды, пульсаций и помех бортовой сети.
ЛИТЕРАТУРА
1.Чувствительный элемент датчика давления на поверхностных акустических волнах и способ его изготовления (Колешко В.М., Мешков Ю.В.) - авторское сви
детельство СССР N 1250858.2. Акустический блок (Колешко В.М., Мешков Ю.В., Колешко Л.А.) - авторское свидетельство СССР N 1104363.3.Способ возбуждения поверхностных акустических волн (Колешко В.М., Гулай А.В.) - авторское свиде
тельство СССР N 720693. 4. Устройство на поверхностных акустических волнах (Колешко В.М., Мешков Ю.В.) - авторское свидетельство СССР N 1349672.5. Спо
соб подстройки частоты в устройствах на поверхностных акустических волнах (Ко-
лешко В.М., Мешков Ю.В.) - авторское свидетельство СССР N 1634069. 6. Мате
риал пьезоэлектрической пленки (Колешко В.М., Мешков Ю.В., Лозовский Э.И.) - авторское свидетельство СССР N 1340521. 7. Преобразователь механических ве
личин (Колешко В.М., Мешков Ю.В., Рачковская Г.Е., Смолонская А.Г.) - автор
ское свидетельство СССР N 1591724. 8. Способ калибровки датчиков давления на поверхностных акустических волнах (Колешко В.М., Мешков Ю.В.) - авторское свидетельство СССР N 1371176. 9. Устройство для измерения температуры (Гуля
ев Ю.В., Колешко В.М., Мешков Ю.В.) - авторское свидетельство СССР N 1138668.
10. Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь на поверхностных акустических волнах (Колешко В.М., Мешков Ю.В., Лозовский Э.И.) ~ авторское свидетельство СССР N 1501867. 11. Преобразователь механических величин на поверхностных акустических волнах (Колешко В.М., Мешков Ю.В., Скопич В.И., Трыков В.Г.) - авторское свидетельство СССР N 1648234. 12. Способ контроля параметров газовой среды и устройство для его осуществления (Колешко В.М., Гулай А.В., Лях В.И.) - авторское свидетельство СССР N 1262317.13. Устройство для измерения давления (Колешко В.М., Гулай А.В., Лях В.И.) ~ авторское свиде
тельство СССР N 1291829.14.Датчик механических величин (Колешко В.М., Меш
ков Ю.В.) - авторское свидетельство СССР N 1450708.