УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01L29/84 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления.

Известен полупроводниковый тензопреобразователь, содержащий измерительную мостовую тензосхему с планарными тензорезисторами на поверхности упругого элемента. Между тензорезисторами напылены перемычки, разрывом которых при питании тензосхемы от генератора тока обеспечивается настройка чувствительности тензопреобразователя к заданному значению [а.с. СССР № 691682, кл. G01В 7/18, авторов Пивоненкова Б.И., Архаровой Л.Г., Маркина С.Н., опубл. 15.10.79, бюл. № 38]. Такое решение позволяет снизить разброс значений чувствительности различных образцов тензопреобразователей и тем самым повысить точность измерений тензопреобразователями с унифицированной градуировочной характеристикой, т.е. тензопреобразователями, которым присвоена единая градуировочная характеристика.

Недостатком такого тензопреобразователя является сложность настройки чувствительности тензопреобразователя из-за невозможности размещения в тензорезисторах перемычек, обеспечивающих малое изменение чувствительности (менее 1%).

Известен другой полупроводниковый тензопреобразователь, содержащий измерительную мостовую тензосхему, сформированную на сапфировой подложке из гетероэпитаксиального слоя монокристаллического кремния с концентрацией дырок (3,5...9)·10¹⁹ см^-3, причем тензосхема включает в свои плечи тензочувствительные и подстроечные резисторы с перемычками для настройки разбаланса моста. При определенной концентрации дырок в кремнии из указанного интервала и питании тензосхемы от генератора тока чувствительность тензопреобразователя сохраняет практически постоянное значение в интервале изменения температуры от -50 до +200°С [а. с.СССР № 934257, кл. G01L 9/04, авторов Белоглазова А.В., Бейдена В.Е., Иордана Г.Г., Карнеева В.М., Папкова B.C., Стучебникова В.М., Хасикова В.В., Суровикова M.B., опубл. 07.06.82, бюл. № 21]. Перемычки в подстроечных резисторах обеспечивают возможность настройки начального разбаланса тензосхемы к заданному (обычно нулевому) значению.

Недостатком данного тензопреобразователя является большой разброс геометрических размеров (прежде всего толщины) их упругих элементов, что исключает возможность его применения в системах автоматического управления, т.к. настройка тензопреобразователя осуществляется механическим путем.

Прототипом предлагаемого изобретения является полупроводниковый тензопреобразователь, содержащий измерительную мостовую тензосхему, к диагонали питания которой подключен шунтирующий резистор [Патент РФ № 2284074, кл. H01L 29/84, автора Суханова В.И., опубл. 20.09.06]. Плечи мостовой тензосхемы и шунтирующий резистор содержат перемычки, разрывом которых обеспечивается настройка начального сигнала и диапазона изменения выходного сигнала тензопреобразователя. Все элементы тензосхемы сформированы методами фотолитографии на сапфировой подложке из гетероэпитаксиального слоя монокристаллического кремния с концентрацией дырок 3,5...9)·10¹⁹ см^-3.

Недостатком прототипа является низкая точность измерений из-за отсутствия в измерительной мостовой схеме управляемых тензорезисторов и следящей отрицательной обратной связи на тензопреобразователь, кроме того, подобная конструкция не может обеспечить точной настройки тензопреобразователя, так как перемычки, разрывом которых обеспечивается настройка начального сигнала и диапазона изменения выходного сигнала тензопреобразователя, имеют дискретные значения сопротивлений.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений путем введения в измерительную мостовую схему управляемых тензорезисторов и следящей отрицательной обратной связи на тензопреобразователь, которая обеспечивает автоматическое управление измерительной системой.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для измерения давления.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Тензопреобразователь содержит тензорезисторы 1, 2, 3, 4, управляемые потенциалами на изолированных электродах, которые включены в измерительную мостовую тензосхему 5, к измерительной диагонали тензопреобразователя последовательно подключены входы усилителя 6, селектируемый пиковый детектор 7, запоминающий конденсатор 8, генератор управляемой частоты 9, к выходу которого подключены блок задержки 10, стандартизатор амплитуды и длительности импульсов 11, подключенный своим выходом к диагонали питания моста 5 и соединенный с входом преобразователя частоты в напряжение 12, выход которого связан с управляющими электродами тензорезисторов 2 и 4, при этом выход блока задержки 10 соединен с входом управления селектируемого пикового детектора 7, а выход генератора управляемой частоты 9 связан с выходом устройства F_вых.

На фиг.2 представлена структура управляемых тензорезисторов 1, 2, 3, 4 (фиг.1). Тензорезисторы выполняются по стандартной планарной технологии на кремниевой подложке 13 n-типа проводимости, легированной фосфором. В качестве диэлектрика используется оксид кремния SiO₂ 14, электроды 15 выполнены напылением в вакууме алюминия.

На фиг.3 представлен топологический чертеж мостовой тензосхемы и конструкция полупроводникового тензопреобразователя, где:

1, 2, 3, 4 - тензорезисторы, управляемые потенциалами на изолированных электродах;

5 - мостовая тензосхема;

16 - электрические контакты тензосхемы;

17 - сапфировая подложка;

18 - металлический корпус.

При изготовлении тензосхемы в едином технологическом процессе кристаллографическая ориентация кремниевой подложки тензорезисторов выбирается таким образом, чтобы при воздействии измеряемой величины (давления) тензорезисторы 1, 3 увеличивали сопротивление, а 2, 4 уменьшали.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии воздействия измеряемой величины сопротивления тензорезисторов 1, 2, 3, 4 имеют значения, при которых мост 5 сбалансирован, при этом на входах усилителя 6 разность потенциалов практически равна нулю. При воздействии измеряемой величины изменяются сопротивления тензорезисторов и мост становится разбалансированным. Напряжение разбаланса моста поступает на вход усилителя 6. Пиковый детектор 7 преобразует усиленное импульсное напряжение в постоянное, равное амплитуде импульса, которое запоминается конденсатором 8. Постоянное напряжение с конденсатора 8 управляет частотой генератора импульсов 9. Выходные импульсы этого генератора формируются по длительности и амплитуде с помощью стандартизатора амплитуды и длительности 11, которые поступают на преобразователь частоты в напряжение 12, выход которого соединен с затворами управляемых тензорезисторов 2, 4, а также питает мостовую тензосхему 5. Усилитель 6, селектируемый пиковый детектор 7, конденсатор 8, генератор управляемой частоты 9 охвачены петлей обратной связи.

При необходимости коррекции выходного сигнала тензомоста, в случае изменения температуры, целесообразно напряжение U_пит снимать с делителя напряжения, содержащего терморезистор-ы, т.е. U_пит(T), где Т - температура.

Предложенный преобразователь представляет собой следящую систему автоматического управления.

Таким образом, введение отрицательной обратной связи в схему измерения и применение тензопреобразователя с управляемыми тензорезисторами 1, 2, 3, 4 позволяет значительно повысить точность измерений давления по сравнению с прототипом.

Тензопреобразователь содержит тензорезисторы, управляемые потенциалами на изолированных электродах, которые включены в измерительную мостовую тензосхему. К измерительной диагонали тензопреобразователя последовательно подключены входы усилителя, селектируемый пиковый детектор, запоминающий конденсатор, генератор управляемой частоты, к выходу которого подключены блок задержки и стандартизатор амплитуды и длительности импульсов, подключенный своим выходом к диагонали питания моста и соединенный с входом преобразователя частоты в напряжение, выход которого связан с управляющими электродами тензорезисторов. Выход блока задержки соединен с входом управления селектируемого пикового детектора, а выход генератора управляемой частоты связан с выходом устройства. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений путем введения в измерительную мостовую схему управляемых тензорезисторов, а также следящей отрицательной обратной связи на тензопреобразователь, которая обеспечивает автоматическое управление измерительной системой. 3 ил.

Устройство для измерения давления, содержащее измерительную мостовую тензосхему, отличающееся тем, что тензорезисторы, включенные в мостовую схему, являются управляемыми потенциалами на изолированных электродах, и к измерительной диагонали моста последовательно подключены вход усилителя, селектируемый пиковый детектор, запоминающий конденсатор, генератор управляемой частоты, устройство также содержит стандартизатор амплитуды и длительности импульсов, преобразователь частоты в напряжение, причем вход селектируемого пикового детектора соединен с выходом усилителя, а выход преобразователя частоты в напряжение связан с изолированными управляющими электродами тензорезисторов, выход стандартизатора амплитуды и длительности импульсов подключен к диагонали питания моста, при этом выход генератора управляемой частоты через блок задержки соединен с входом управления селектируемого пикового детектора и связан с выходом устройства.