Пензенские ученые создали чувствительный элемент для авиационного датчика нового типа

Ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) разработали и запатентовали чувствительный элемент для датчика быстропеременного и статического давления. Разработка позволяет объединить два датчика в один, благодаря чему снижается общая масса конструкции, что критически важно в авиации. Чувствительный элемент также найдет применение в других отраслях промышленности.

Контрольно-измерительные приборы, оценивающие давление, используются повсеместно, начиная от бытовой техники и заканчивая суперджетами. Контроль давления помогает избежать аварийных ситуаций и выхода техники из строя.

В настоящее время датчики давления основаны на различных физических принципах: для измерения статических давлений используют тензорезистивные датчики, основанные на тензоэффекте, а для измерения быстропеременных давлений — пьезоэлектрические датчики, основанные на пьезоэффекте.

Датчики, способные одновременно с заданной точностью измерять оба вида давления, в настоящее время не выпускаются. Авиастроителям приходится устанавливать два датчика. Это приводит к увеличению массы, габаритов, энергопотребления измерительных систем.

«Чтобы косвенно измерить скорость самолета (приборную скорость), требуются два датчика. Разумеется, приборная база становится больше в весе», — рассказал один из разработчиков, магистрант ПГУ Дмитрий Агафонов.

Ученые ПГУ разработали конструкцию, в которой на одном чувствительном элементе находятся два гальванически развязанных канала измерения давления: тензорезистивный и пьезоэлектрический. Благодаря этому можно создать один датчик вместо двух.

Авторы предложили использовать не объемную пьезокерамику, а напылять тонкие пленки с двумя разными функциями друг на друга.

«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.

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.

«Мы получили в одном чувствительном элементе два канала измерения: быстрых переменных давлений и статистических. Эти каналы никак электрически не взаимодействуют между собой», — объяснил еще один разработчик, доцент кафедры «Приборостроение» ПГУ, кандидат технических наук Вадим Волков.

 

Кроме того, по словам ученых, конструктивно-технологическое решение значительно упрощает и удешевляет производство. Чувствительный элемент с двумя каналами можно будет изготавливать в едином технологическом процессе.

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.

«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.

На следующем этапе исследований авторы планируют создать прототип датчика давления с многофункциональным чувствительным элементом.

Такие датчики, по мнению ученых, могут найти широкое применение в различных отраслях, включая авиацию, автомобильную и нефтегазовую промышленность. Они могут использоваться для мониторинга и контроля таких процессов, как сгорание топлива, изменение давления в трубопроводах и атомных реакторах, предотвращая аварийные ситуации и сохраняя человеческие жизни.