ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке полупроводниковых датчиков давления, выполненных по технологии МЭМС (микроэлектромеханические системы).

Известен преобразователь давления, который содержит мембрану из монокристаллического кремния, на которой сформированы 4 тензорезистора, которые включены в измерительный мост. Измерительный мост последовательно соединен с опорным резистором, и они подключены к источнику питания, управляемый вход которого подключен к дифференциальному усилителю. Вход этого усилителя соединен с выходом дополнительного моста, образованного последовательной цепочкой тензомоста с указанным резистором и делителем напряжения из двух дополнительных резисторов. В этом преобразователе тензорезисторы выполняют функции и измерителя давления, и измерителя температуры и нагревательного элемента. Последняя функция обеспечена регулировкой тока через измерительный мост такой, чтобы выходное напряжение дополнительного моста оставалось стабильным. При этом температура кристаллической мембраны также стабилизируется.

Такой преобразователь описан в журнале «Измерительная техника» №11 за 1982 г., стр.35. Недостатком преобразователя является невозможность обеспечения термостабилизации в широком диапазоне температур.

Этот недостаток устранен в преобразователе по патенту RU №2036445, который и принят за прототип. В этом преобразователе также измерительный мост включен в плечо дополнительного моста, вход которого соединен с выходом регулируемого источника питания. Отличие схемы от вышеописанной заключено в том, что кристаллическая мембрана не термостатируется, а напряжение питания измерительного моста регулируется так, что коэффициент термочувствительности коэффициента чувствительности (ТКЧ) по давлению уменьшается до 0. Это обеспечено положительной обратной связью с выхода дополнительного моста. При этом измерительный мост также несет информацию о температуре, кроме информации о давлении. Причем входное напряжение тензомоста слабо зависит от давления и сильно зависит от температуры. Это и используется для компенсации ухода 0.

Недостатком преобразователя-прототипа является необходимость определения ТКЧ каждого кристалла и настройка источника питания в соответствии с этим ТКЧ и температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) тензорезисторов.

Предлагаемое изобретение и направлено на устранение этого недостатка.

Частично этот недостаток устранен в преобразователе на базе кристалла, в котором на мембране, кроме тензомоста, выполнен транзистор, последовательно соединенный с тензомостом. Включение этой схемы на выход стабилизатора напряжения обеспечивает стабильный ток через тензомост. За счет этого исключается влияние на коэффициент передачи температуры (ТКЧ→0). Однако при этом увеличивается погрешность от температуры ухода начального напряжения (уменьшили мультипликативную погрешность - увеличилась аддитивная и, наоборот, при смене источника напряжения на источник тока моста).

Целью предложенной схемы преобразователя давления является устранение температурной погрешности в преобразователе, выполненном на кристалле с тензомостом и стабилизатором тока.

Указанная цель достигается подключением к выходной диагонали измерительного тензомоста, кроме инструментального усилителя, который вычитает потенциалы выходной диагонали, также и сумматора этих потенциалов. Последний выполнен с помощью двух диодов, каждый из которых анодом соединен с соответствующим узлом выходной диагонали измерительного тензомоста, а катодами они подключены к резисторам сумматора так, что на выходе сумматора обеспечивается сумма потенциалов выходной диагонали моста. Кроме этого организован третий вход сумматора для начального смещения сумматора, и коэффициент передачи сумматора выполнен настраиваемым.

Компенсация температурного ухода «0» (начального смещения) обеспечивается вычитанием выходных напряжений инструментального усилителя и описанного сумматора, реализованным на операционном усилителе, входами подключенным к выходам инструментального усилителя и сумматора. Настройка коэффициента передачи сумматора производится из условия: $$K_{\Sigma }=\frac{K_t^{\text{'}}}{K_t}$$ , при которой давление определяется формулой:

$$P=\frac{u_1-u_2\cdot \frac{K_t}{K_t^{\text{'}}}}{K_p\cdot \left(1-\frac{K_t\cdot K_p^{\text{'}}}{K_t^{\text{'}}\cdot K_p}\right)}$$

где

u₁ - выходное напряжение инструментального усилителя,

K_p - коэффициент его передачи по давлению, а

K_t - коэффициент температурной зависимости u₁.

u₂ - выходное напряжение сумматора,

$$K_p^{\text{'}}$$ - его коэффициент передачи по давлению, а

$$K_t^{\text{'}}$$ - его коэффициент температурной зависимости.

Для предложенной схемы характерна нижеследующая зависимость:

$$u_1=K_p\cdot P+K_t\cdot \Delta t$$

$$u_2=K_p^{\text{'}}\cdot P+K_t^{\text{'}}\cdot \Delta t$$

Причем $$K_p>>K_p^{\text{'}}$$ , а $$K_t^{\text{'}}>>K_t$$ , откуда следует

$$\frac{K_t\cdot K_p^{\text{'}}}{K_t^{\text{'}}\cdot K_p}<<<1$$

Из этих уравнений и следует формула для вычисления давления. Коэффициенты $$K_t^{\text{'}}$$ , $$K_p^{\text{'}}$$ определяются при единичном коэффициенте передачи сумматора, а затем он устанавливается равным $$\frac{K_t^{\text{'}}}{K_t}$$ .

На рисунке 1 обозначено:

1 - тензометрированный кристалл с транзистором, который обеспечивает существенное уменьшение ТКЧ,

2 - инструментальный усилитель,

3 - сумматор потенциалов φ₁ и φ₂,

4 - операционный усилитель.

Преобразователь реализует функцию уменьшения температурной погрешности ухода «0» за счет применения сумматора потенциалов φ₁ и φ₂. При воздействии на кристалл давления, потенциал φ₁ уменьшается, а φ₂ - увеличивается. Инструментальный усилитель вычисляет разность этих потенциалов и усиливает ее. Поэтому этот канал является чувствительным к давлению. При воздействии температуры все резисторы тензомоста увеличиваются и поэтому потенциалы φ₁ и φ₂ изменяются почти одинаково. Поэтому этот канал от температуры зависит слабо. Его температурная зависимость определяется только начальным смещением и входным напряжением моста, которое изменяется с температурой так, что ток через мост остается постоянным. Однако будучи усиленным инструментальным усилителем, разность потенциалов φ₁ и φ₂ становится существенной.

Канал сумматора, наоборот, при воздействии на кристалл давлением, сумма потенциалов φ₁ и φ₂ не изменяется или изменяется очень слабо. При воздействии же температуры сумма потенциалов φ₁ и φ₂ удваивается и является существенно зависимой от температуры, поскольку при этом изменяется напряжение моста.

Можно считать, что этот канал несет информацию о температуре тензомоста, его сигнал и компенсирует уход «0» на выходе инструментального усилителя. Так, для ЧЭД5, выпускаемых. Технологическим центром МИЭТ (Зеленоград), соотношение $$\frac{K_p^{\text{'}}}{K_p}=\mathrm{0,012}$$ , а соотношение $$\frac{K_t^{\text{'}}}{K_t}\approx 2$$ , что и позволяет применить эту схему, не уменьшая чувствительности по давлению.

Если сравнивать предложенную схему со схемами коррекции, основанными на измерении температуры кристалла с помощью размещаемых на кристалле тензорезисторов (как это делается в НИИФИ г.Пенза), то можно отметить следующее: терморезистор несет информацию о температуре мембраны, однако тензорезисторы имеют температуру, отличную от температуры терморезистора. Тогда как в предложенной схеме измеряется средняя температура всех четырех тензорезисторов с помощью суммирования потенциалов φ₁ и φ₂. В схемах НИИФИ достигается термокоррекция в узком диапазоне температур, в предложенной схеме - в более широком диапазоне температур. Причем термокоррекция предложенная не требует применения контроллеров, а реализуется на операционных усилителях (смотри, например, статью Е. Слива «Коррекция по температуре измерительных преобразователей физических величин на базе микроконтроллера MSP 430 F149 фирмы Texas Instrument», в Интернете catalog.qaw.ru).

Влияние сумматора на потенциалы моста в данной схеме исключено за счет применения диодов и существенно меньших сопротивлений моста, чем входные сопротивления сумматора. Следует также отметить, что предложенная схема термокоррекции выполнит свою функцию при ее применении для коррекции температуры преобразователей полупроводниковых, у которых на мембране размещен только тензомост без транзистора. При этом необходимо только тензомост питать стабильным током, подключая его к стабилизатору тока. Тогда его ТКЧ стремится к 0, а увеличение смещения «0» компенсирует предложенная схема на основе сумматора потенциалов средних точек тензомоста.

Тем самым показано ее широкое применение, а новизна заключена в измерении изменения суммы потенциалов средних точек тензорезисторного моста, реализованное сумматором и двумя диодами.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке полупроводниковых датчиков давления, выполненных по технологии МЭМС (микроэлектромеханические системы). Преобразователь давления содержит кремниевую мембрану с тензоизмерительным мостом, последовательно соединенным с транзистором, подключенными к источнику постоянного напряжения. Выходная диагональ тензомоста соединена с входом инструментального усилителя, выход которого подключен к первому входу усилителя коррекции температурной погрешности. Ко второму входу усилителя коррекции подключен сумматор, первые два входа которого соединены через резистор и диод со средними точками измерительного тензомоста. Третий вход через резистор подключен к источнику смещения напряжения сумматора. Техническим результатом является устранение температурной погрешности в преобразователе. 1 ил.

Преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану с тензоизмерительным мостом, последовательно соединенным с транзистором, подключенными к источнику постоянного напряжения, причем выходная диагональ тензомоста соединена с входом инструментального усилителя, выход которого подключен к первому входу усилителя коррекции температурной погрешности, отличающийся тем, что ко второму входу усилителя коррекции подключен сумматор, первые два входа которого соединены через резистор и диод со средними точками измерительного тензомоста, а третий вход через резистор - с источником смещения напряжения сумматора.