Устройство для измерения параметров среды Советский патент 1983 года по МПК G01F1/68 G01P5/10 

2, Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что, с целью повьниения точности измерения давления среды, в цепь обратной связи вто

,рого дифференциального усилителя включен полевой транзистор, затвор которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров среды - скрости, расхода и давления. Изобретение может быть использовано в метеорологии, автомобильной, химичес-i кой, электронной промышленностях.

Известно устройство для измерения параметров среды, содержащее корпус с размещенным в нем датчиком давления в виде пьезоэлектрической пластинки с внутренним и наружным пленочным электродами. Наружный электрод соединен с источником постоянного тока и измерителем электрического сопротивления. Известное устройство позволяет измерять скорость и давление среды 1.

Однако известное устройство|обладает невысокой точностью, вследствии изменения коэффициента пьезочувствительности от температуры среды, а также температуры наружного электрода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройствуявляется расходомер на интегральных схемах с функцией определения направления потока, содержащий монолитный полупроводниковый кристалл, на котором сформированы методами планарной технологии регулирующий транзистор, обеспечивающий постоянный перегрев кристалла над температурой потока и два термочувствительных элемента, представляющие собой, биполярные транзисторы. Термочувств тельные элементы расположены по обестороны от транзистора-нагревателя и включены в смежные плечи мостовой измерительной схемы. „Схема управления транзистора-нагревателя содержит компенсатор, представляющий собой транзистор, помещ.енный отдельно в поток среды и измеряющий температуру потока. Термокомпенсатор

соединен с операционным усилителем, выход которого подключен к базе транзистора-нагревателя Г ЗИзвестное устройство предназна чено для измерения скорости и расхода потока и не дает информации о других параметрах потока.

Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения параметров среды, содержащем полупроводниковую пластину, на одной стороне которой сформированы регулирующий транзистор, нагреватель и два термочувствительных элемента, расположенных по обе стороны от него и включенных в смежные плечи моста измерительной схемы, общая точка которых подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий .вход которого соединен с компенсационным термочувствительным элементом, расположенным вне зо ны нагрева, а выход подключен к базе регулирующего транзистора, эмиттер , и коллектор которого подключены к источнику питания, измерительная диагональ моста соединена со входа ми первого дифференциального усилителя, нагреватель выполнен в виде тензорезистора с поперечной пьезоЭДС на другой стороне полупроводниковой пластины сформирована мембрана, а з измерительную схему введен,второй дифференциальный усилитель, при этом коллектор регулирующего транзистора соединен с одним из токовых контактов тензорезистора, другой токовый контакт которого подключен непосредственно к источнику питания, а потенциальные контакты тензорезистора подключены к входам второго дифференциального усилителя.

Кроме того, для повышения точности измерения давления среды, в цепь обратной связи второго дифференци- ального усилителя включен полевой транзистор, затвор которого соедине с выходом первого дифференциального усилителя. На фиг, 1 показана монолитная полупроводниковая пластина во взаим действии с потоком контролируемой среды, разрез; на фиг. 2 - электрическая схема устройства для измерения параметров среды. Устройство содержит монол14тную полупроводниковую пластину 1, на од ,ной стороне 2 которой размещены два (Термочувствительных элемента ( 3 и t {представляющие собой биполярные (транзисторы, включенные в смежные плечи мостовой измерительной схемы. На стороне 2 пластины 1 расположен тензорезистор 5 е поперечной пьезоЭ имеющий токовые контакты 6 и 7 и по тенциальные контакты 8 и 9. Со стороны 10 в пластине 1 сформирована тонкая йембрана 11 для увеличения чувствительности к давлению, увели чения теплового сопротивления между тензорезистором 5, термочувстви гель ными элементами 3 и по массе моно литной полупроводниковой пластины а также для уменьшения тепловой ине цйонности измерений, Полупроводниковаяпластина с мембраной представ ляют собой одно целое и изготавлива ются по групповой планарной интегральной технологии из полупроводникового материала. Токовый контакт 6 тензорезистора 5 соединен с плюсом источника питания 12, а токовый контакт 7 с кол лектором регулирующего транзистора 13, база которого соединена с выходом I операционного усилителя 15. Неинвертирующий вход 16 усилителя 15 соединен с эмиттером транзистора 17, служащего термокомпенсатором, который помещен в среду и измеряет ее температуру. Коллектор транзисто ра 17 через ограничительное сопротивление 18 соединен с плюсом источника питания 12, Транзистор 17 включен в режиме датчика температуры, ток через который поддерживается постоянным при помощи источника постоянного тока 19. Термочувствительные элементы 3 и k включены в мостовую измерительную схему, разностный сигнал которо подается на входы 20 и 21 дифференциального усилителя 2, Сопротивления 23 и 2 являются плечами мостовой измерительной схемы. Токи через термочувствительные элементы 3 и 4 прд держиваются постоянными посредством у источника постоянного тока 25. Точка подключения 26 эмиттере транзис торов, являющихся термочувствительными элементами 3 и t соединена с инвертирующим входом 27 операционного усилителя 15, Потенциальные контакты 8 и 9 размещены в зоне наибольших деформаций, на краях, либо в центре мембраны, в зависимости от кристаллографической ориентации исходного полупроводниKq,BOro материала, и подключены между входами 28 и 29 дополнительного дифференциального усилителя 30, между выходом 31 и входом 29 которого включен полевой транзистор 32, реализующий цепь обратной связи. Полевой транзистор 32 своим затвором подключен к выходу дифференциального усилителя 22. Устройство работает следующим образом. При скорости потока среды, равной нулю, задается определенный перегрев монолитной полупроводниковой пластины 1, определяемый заданной величиной нагревательного тока, протекающего по тензорезистору 5 через токовые контакты 6 и 7. Пластина 1 равномерно прогревается, термочувствительные элементы 3 и имеют равные сигналы на коллекторах. Выходной сиг-нал мостовой измерительной схемы равен нулю. При движении контролируемой среды вдоль поверхности 10 монолитной полупроводниковой пластины 1 происходит теплообмен между элементами пластины 1 и средой. Пограничный слой З частично нагревается от участка мембраны 11, расположенноговблизи термочувствительного элемента k, охлаждая несколько его, дополнительно нагревается от тензорезистора 5 и передает часть своего избыточного тепла термоэлементу 3, В результате возникает перепад температур между термочувствительными элементами 3 и k, пропорциональный корню квадратному из скорости потока. Этот дифференциальный сигнал усиливается дифференциальным усилителем 22, Далее его можно возвести в квадрат для .полумения линейной зависимости вЫходного сигнала от скорости потока. При изменении скорости потока, например увеличении, некоторая часть тепла уносится с пограничным слоем от пластины 1, температура которо уменьшается. Увеличивается при этом напряжение на термоэлементах 3 и 4, тем самым уменьшается потенциал точки подключения 26, а соответственно, и потенциал инвертирующего входа 27, увеличивается коэффициент усиления операционного усилителя 15i увеличивается ток базы регулирующего транзистора 13, соответственно - нагревательный ток, т.е. ток через токовые контакты тензорезистора 5 с поперечной пьезоЭДС. Так поддерживается постоянным перегрев пластины 1 над температурой среды при изменеНИИ скорости.

При изменении температуры среды изменяется напряжение на термокомпенсаторе, изменяя тем самым потенциал неинвертирующего входа 1б операционного усилителя 15, что приводит к изменению величины тока базы регулирующего транзистора 13, далее нагревательного тока. Таким образом поддерживается постоянным перагрев пластины 1 над температурой среды.

Контролируемая среда воздействует на тонкую мембрану 11, создавая в ней деформации, пропорциональные давлению. На потенциальных контактах 8 и 9 возникает при этом разность потенциалов, пропорциональная указанному давлению среды

Ugj,,,--lwilAV4 -g пит

де m ) - множитель, зависящий от

кристаллографической плоскости мембраны и расположения центра тензоэлемента на мембране; Е - разность потенциалов между

токовыми контактами; а и 1} - длина и ширина прямоугольной области, в которой происходит растекание тока;

где с - интенсивность нагрузки; h - толщина мембранй;

d - радиус;

коэффициент пьезосопротивления.

5 Эта разность потенциалов увеличивается прямо пропорционально при увличении давления на мембрану 11. Сигнал ,усиливается дополнительным дифференциальным усилителем 30

fO и является функцией давления, величины тока, протекающего через токовые контакты, т.е. напряжения питания тензорезистора 5 , коэффициента п.ьезосопротивления, а также висит от конструктивных параметров мембраны 11 и тензорезистора 5. При увеличении температуры среды коэффициент пьезосопротивления уменьшается.

20 Одновременно схема управления перегревом чипа 1, включающая термокомпенсатор 17, операционный усилитель 15 и регулирующий транзистор 13, увеличивает напряжение питaн я

25 тензорезистора, обеспечивая постоянный перегрев пластины 1 над температурой среды.

Таким образом, одновременно с уменьшением коэффициента пьезосопротивления при увеличении температуры среды происходит увеличение напряжения питания тензорезистора 5 (или нагревательного тока).

Известно, что температурная ха рактеристика коэффициента пьезосопротивления изменяется в широких пределах в зависимости от концентрации легирующей примеси пьезорезистора 5 и возможен выбор такого удельного сопротивления тензорезистора 5, а значит и концентрации легирующей примеси, при которой будет автоматически выполняться компенсация уменьшения коэффициента пьезочувстЁ1ительности повышением напряжения питания при увеличении температуры среды.

При уменьшении температуры среды, схема работает аналогично: увелимивается коэффициент пьезосопро.тивления - уменьшает;ся пропорционально напряжение питания E.. При изменении скорости потока (как уже ()ыло показано) для обеспечения постоянного перегрева изменяется величина нагревательного тока.

Изменение величины сигнала по скорости потока среды на выходе 33

диференциального усилителя 22 влечет за собой изменение входного сигнала на Затворе полевого транзистора 32 что приводит к измерению сопротивления сток - исток полевого транзистора и, следовательно„ изменению коэффициента усиления дополнительного дифференциального усилителя 30. ; Таким образом, помимо точного из.мерения скорости потока среды и расхода при известном сечении измерительного участка при испол|;зовании предлагаемого устройства возможно получение дополнительной информации о давлении, которая не зависит от изменения температуры среды. Также исключается влияние измеряемой скорости потока среды на выходнрй сигнйп; по давлению за счет изменения нагре вательного тока при поддержании постоянным перегрева пластины 1. над температурой среды. ..