Проект: Высокочувствительный микроэлектромеханический (МЭМС) резонансно-частотный датчик давления

В результате проекта будет создан макет высокочувствительного резонансно-частотного датчика давления, обладающего высокой чувствительностью и точностью. Новизна предлагаемых решений заключается в использовании композитных материалов в чувствительном элементе резонансно-частотного датчика давления для улучшения технических характеристик. Применение композитов позволяет до 10 раз повысить чувствительность сенсора при сохранении динамического диапазона измерения давления. Основными потребителями данного продукта являются предприятия нефтегазовой промышленности (Газпром, Роснефть, Лукойл, Татнефть), в том числе дочерние компании, который занимаются добычей, транспортировкой и переработкой сырья. Ключевыми преимуществами разрабатываемого продукта в сравнении с прямым конкурентом является повышенная чувствительность, при сохранении наименьшей на данный момент погрешности измерений, которой обладают резонансно- частотные датчики давления. Повышенная точность и чувствительность датчиков давления позволяет более точно отслеживать и управлять процессами транспортировки нефтепродуктов, что снижает издержки предприятия на данном этапе. А при переработке сырья – более точно поддерживать технологические процессы получения различных нефтепродуктов, что повышает их качество, уменьшает брак и в итоге приводит к увеличению прибыли предприятия.

Движение мировой индустрии и производства к повышению автоматизации (Индустрия 4.0) требует контроля на каждом этапе производства изделий, что в свою очередь требует разработки различных сенсорных систем, их удешевления и миниатюризации, что может быть реализовано с использованием технологий микроэлектромехнических систем (МЭМС). Одним из таких сенсоров являются датчики давления, мировой рынок которых показывает положительную динамику на протяжении последних 10 лет и на 2023 год оценивается в 14 млрд. долларов. Особенностью рынка датчиков давления является наличие огромного числа иностранных игроков. Конкуренция разворачивается в основном между глобальными международными компаниями: Emerson (бренд Rosemount, владельцы ПГ МЕТРАН), Endress+Hauser, Yokogawa, Wika (в основном малогабаритные датчики), Siemens, Honeywell (серия Smartline). Некоторые вендоры располагают производственными площадками в РФ, на которых производится, разной степени локализации, сборка компонентов для готовых приборов (например, Honeywell на заводе «Эльстер Автоматика», г. Арзамас). На данный момент потребность отечественного рынка интеллектуальных датчиков давления составляет 15-20 тыс. шт./год (1-2 млрд. руб.). Из них 60% - датчики отечественного производства, 40% - импорт. В частности, 65% рынка датчиков давления – продукция EMERSON (в т.ч. ПГ МЕТРАН), однако есть устойчивая тенденция к поиску аналогов, обусловленная политикой импортозамещения и ценой. Среди импорта наиболее активно согласовываю E+H, Yokagawa, Honeywell, среди отечественных – СДВ (НПК ВИП), Эни-100 (ИТеК ББМВ), АИР (Элемер). В нефтегазовой отрасли традиционно преобладает импорт, в основном EMERSON, в энергетике – отечественные приборы и Yokagawa, реже – E+H, в атомной промышленности –Yokagawa. В принципе на рынке устоялся устойчивый покупательский стереотип, обусловленный стремлением к оптимизации производственных процессов: на менее ответственные участки ставится более дешевое отечественное оборудование, а на ответственные участки, например, коммерческие узлы учета - более дорогое и уже зарекомендовавшее себя импортное оборудование. Повышение точности и чувствительности (возможности детектирования малых изменений давления) измерений позволяет на ранних этапах обнаруживать нештатные ситуации (утечка) при транспортировке нефтегазовых продуктов и снизить риски при производстве нефтепродуктов, а также повысить качество получаемого сырья при переработке нефтепродуктов. Повышение точности датчиков давления и возможность детектирования малых изменений давления при высокой стабильности показаний позволяет значительно сократить издержки на транспортировку нефтепродуктов. Принцип действия большинства датчиков давления с использованием МЭМС технологии основаны на изгибающем воздействии измеряемого давления на мембрану. При подобном воздействии в мембране возникает внутреннее напряжение, которое может быть детектировано в виде электрического сигнала с использованием различных измерительных преобразователей. В зависимости от диапазона измеряемого давления используют емкостной, пьезоэлектрический, тензорезистивный и частотно-резонансный типы измерительных преобразователей. Перечисленные механизмы измерения давления также влияют и на характеристики устройства, такие как: диапазон измеряемого давления, точность, нелинейность, чувствительность и т.д. Принципом действия, обеспечивающим наиболее стабильные характеристики в тяжелых условиях эксплуатации, является резонансно-частотный, преимуществом которого является высокая точность измерений. Именно такой принцип измерения позволяет достичь чрезвычайно низкой погрешности и получить самый стабильный ДД. На текущий момент только один мировой производитель на рынке предлагает ДД с погрешностью до 0,04% – это японская Yokogawa. Востребованность в таком типе датчиков в России обусловлена тем, что поставки на данный момент возможны только параллельным импортом и в ограниченных количествах, а отечественные датчики основаны на других принципах преобразования, что не позволяет их применять на ответственных участках. Востребованность проекта с точки зрения образовательной и научно-прикладной деятельности обусловлена крайне высокой нехваткой специалистов в области исследований и разработок МЭМС сенсоров различного назначения как в научных организациях, так и на предприятиях микроэлектроники, имеющих возможность массового выпуска указанной продукции, что приводит к недозагрузке свободных мощностей и малым темпам импортозамещения.

Предметом разработки является чувствительный элемент резонансно-частотный датчик давления (РЧДД), состоящий из кремневой мембраны, резонаторов, системы возбуждения и съема колебаний, электронной системы обработки и вывода информации. Предметом исследования является методы возбуждения и съема сигнала, конструктивные решения ЧЭ на основе композитных материалов.

Методы реализации проекта подразделяется на два основных блока: исследовательский и технологический. В первом блоке с использованием метода конечно-элементного анализа (Comsol) и математического моделирования (Matlab) будет произведено электромагнитное, температурно-частотное и статическое структурное моделирование основных характеристик и их зависимостей от различных параметров ЧЭ РЧДД, где будет получена математическая модель ЧЭ РДД. Второй блок посвящен отработке технологии и изготовлению ЧЭ РЧДД, которое будет осуществляться на базе НОЦ «Нанотехнологии» с помощью литографических процессов, вакуумного напыления металлических пленок, плазменного осаждения диэлектрических пленок и плазменного травления. Исследование основных характеристик ЧЭ РЧДД будет осуществлено с использованием ЦКП «ИМПУЛЬС». Оценка технических характеристик ЧЭ ЧРДД будет произведена на основ разработанного стенда и методик измерений.

Новизна предлагаемых решений заключается в использовании композитных материалов в чувствительном элементе резонансно-частотного датчика давления для улучшения технических характеристик.

Таловская А.А. под руководством Кулинича И.В. в 2023 защитила диссертацию на соискание степени магистра по теме «Исследование и разработка высокочувствительного сенсора для резонансно-частотного датчика давления». Является победителем программ УМНИК по теме «Разработка композитного сенсора резонансно-частотного датчика давления». В рамках диссертационной работы Таловской А.А. и проекта по программе УМНИК проведена разработка математической модели ЧЭ РЧДД, проведены исследования зависимости электромеханических параметров ЧЭ от материала резонатора, которая показала, что при использовании композитной структуры на основе оксида алюминия и титана возможно вдвое повысить чувствительность ЧЭ или в 2 раза увеличить динамический диапазон измерений давления. Отработаны базовые технологические операции изготовления резонаторов ЧЭ РЧДД. Коллектив авторов имеет обширный опыт выполнения проектов в смежных тематиках указанного проекта. В частности, Барбин Е.С. с 2011 года участвовал в выполнении ряда проектов по ФЦП, посвященных разработке методик создания, изготовления и испытаний МЭМС резонансных сенсоров, что подтверждается рядом публикаций в Scopus (20) и защищенной диссертацией на соискание степени к.т.н. Дважды проходил стажировку (9 мес.) в университете Тохоку (г. Сендай, Япония, 72 место в топ-100) по тематике «Разработка, технологии и изготовление МЭМС». На данный момент является руководителем проекта РНФ по теме «Разработка научных основ создания микрооптоэлектромеханического субмикро-g акселерометра». Таким образом, на сегодняшний день авторы проекта имеют все компетенции, научный задел и опыт реализации для успешного выполнения проекта.

Конкурентным преимуществом данного прибора станет измерительный преобразователь резонансно-частотно типа, который является самой передовой технологией в сфере измерения давления промышленных сред. Отличительной особенностью разрабатываемого РЧДД является использование композитных материалов в ЧЭ для улучшения технических характеристик, в частности увеличения динамического диапазона измеряемого давления и увеличения чувствительности. Предварительная стоимость на уровне аналогов.