Способ настройки интегральных тензометрических мостов Советский патент 1991 года по МПК G01B7/18 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тенэометри- ческих мостов, изготавливаемых по - интегральной микроэлектронной технологии на основе металлопленочных тен- зорезисторов.

Целью изобретения является повышение точности в условиях действия неравномерного температурного поля за счет уменьшения аддитивной температурной погрешности.

На фиг. 1 схематично представлен тензометрический мост; на фиг.2 - схема включения тензометрического моста при его настройке.

Интегральный тенэометрический мост, сформированный на мембране 1,

содержит замкнутую мостовую схему, каждое плечо которой состоит из пары тензорезисторов 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7, 8 и 9, восемь контактных площадок 10-17, каждая из которых соединяет концы тензорезистороп. R каждом плече мостовой схемы по одному тензорезистору покрыт i защитным диэлектрическим слоем 18, г то тензоре- зисторы 2, 4, 6 и 8. Другие тензо- резисторы 3, 5, 7 и 9 не защищены диэлектрическим слоем. Каждая пара тензорезисторов в плече моста, защищенные и незащищенные, идентичны по месту и направлению расположения на мембране, а все восемь тензорезисторов изготовлены из одного материала в одном технологическом цикле. ТенС&ГО

--J

00

к:

о

зометрический мост с помощью контактных площадок 10-17 подключен к источнику 19 питания и регистратору

20напряжения. Кроме того, с помощью контактных площадок осуществляется подключение испытуемого шунта, а затем термокомпенсационного шунта к защищенному тензорезистору, например, 5 и переменного сопротивления в смежное плечо тензомоста к незащищенному тензорезистору, например тензорезистору 3.

Способ настройки интегрального тензометрического моста осуществляют следующим образом.

После формирования тензомоста, состоящего из тензорезнсторов 2-9, например, из нихрома, на мембрану 1 наносят защитный диэлектрический слой 18, например, из окиси кремния, с перекрытием по поверхности четырех тензорезисторов, включенных в каждое плечо тензомоста, например тензоре- зисторов 2, А, 6 и 8. Затем окисляют в кислородной плазме тензометрический мост, размещенный на мембране 1, в результате чего величина ТКС незащищенных тензоречисторов достигает отрицательных значений. Подключают к тенз мосту источник 19 питания, регистратор 20 напряжения и определяют начальный выходной сигнал 00). Изменяют температуру на мембране до заданной величины и определяют начальный выходной сигнал Up(t), затем рассчитывают изменение начального выходного сигнала от влияния заданной температуры &U0(t) U0(t) - U0 и по его знаку определяют необходимое плечо, куда подключают испытуемый шунт

21к защищенному диэлектрическим покрытием тензорезистору, например, 4 и одновременно балансируют тензо- мост по начальному выходному сигналу подключением в смежное плечо переменного сопротивления 22 параллельно незащищенному тензорезистору, например , 3. Определяют начальный выходной сигнал при нормальной и заданной температурах Uou , I ou.ui со ответственно и находят изменение сигнала от влияния температуры по формуле

uUOU.U(t) VbJ(t) - U°.U

Рассчитывают величину требуемого термокомпенсационного шунта по формуле

г

AU

и.ы

дц.ш

Ш

AUQCt)

0

5

0

5

Q

5

5

0

5

где г

и. ш

т.ш

величина сопротивления испытуемого шунта; величина сопротивления термокомпенсационного шунта.

Ьключают в место испытуемого шунта термокомпенсационный шунт с величиной, полученной расчетным путем по формуле (1). Балансируют тензомост изменением величины переменного сопротивления.

Сущность способа заключается в уменьшении общего ТКС тензомоста за счет изменения ТКС до величины отрицательных значений у каждого из пар тензорезисторов, включенных во все четыре плеча тензомоста с последующим достижением полной компенсации температурного ухода начального выходного сигнала путем шунтирования защищенного тензорезистора в выявленном плече тензомоста и балансированием параллельным подключением к незащищенному тензорезистору переменного сопротивления.

Механизм изменения ТКС у незащищенных тензорезисторов до величины отрицательных значений и практически полного сохранения ТКС у защищенных тензорезисторов на прежнем уровне от окисления в кислородной плазме тензомоста заключается в следующем. При большой мощности окислительных процессов образование оксидных пленок происходит как на поверхности тензорезистора, так и внутри по границам зерен, из которых состоит тело тензорезистора. R результате в незащищенных тензорезисторах после окисления перенос зарядов осуществляется наряду с обычным характерным для металлов переносом внутри зерен, еще и через узкие окисные (диэлектрические) зазоры между зернами. Механизмами, ответственными за перенос заряда, являются термоэлектронная эмиссия и туннелирование. Переход электронов облегчается при повышении температуры, так как сопротивление диэлектриков с увеличением температуры падает. Таким образом, положительная проводимость в зернах нейтрализуется отрицательной между зернами, что и обуславливает при больших мощностях окисления появление отрицательных ТКС в незащищенных тензорезисторах. Защищенные пленки диэлектрическим слоем практически не окисляются по поверхности, тем более, по границам черен внутри тела пленки. Следовательно, величина ТКС в защищенных тензорезисторах при окислении тензомоста остается неизменна. Сопровождающееся при окислении изменение величин сопротивлений (наряду с изменением их ТКС) самокомпенсируется мостовой схемой, так как во всех четырех плечах моста включены по одному незащищенному тензорезистору, а разброс величин изменения сопротивлений компенсируется предусмотренным балансировочным переменным сопротивлением. Формула для расчета величины термо

компенсационного шунта (1) справедлива при условии линейной зависимости изменения сопротивлении тензоре- зисторов моста от температуры и независимости от температуры сопротивления шунта и балансировочного сопро- тивления. При подключении испытуемого шунта и одновременной балансировки параллельным подключением в смежное плечо достигают определенного ухода сигнала от температуры bUOUUJ (t)j , пропорционального величине испытуемого шунта (гц ш ) . R результате сравнения отношения ухода начального вьг о ного сигнала с подключенным непытуе- мым шунтом к уходу сигнала без испытуемого шунта с вепичинон испытуемого шунта получают величину сопротивления, на которое следует тибо увеличить, либо уменьшить величин испытуемого шунта, чтобы почучить гробуемую величину термокомпенгационного шунта. Из приведенных соображении пытекает выражение (1).

В качестве примера рассматривается настройка тепэомосга, сЛормкровлнно о на мембране методом тонкопленочной - технологии, тенчорезисторы, например из материала Х20Н75Ю, ТКС которых после формирования находится в пределах (1-6) -1СГ5 1/°С. Наносят слой ди электрическо о покрытия, например, из моноокиси кремния, на поверхность тен зорезисторов 2, 4, 6 и 8 с полным их перекрытием. Окисляют тензометриче- ский мост в кислородной плазме, например, в течение 1,5-2 ч с мощностью окисления 250-350 Вт, после чего ТКС незащищенных тензорезисторов снижается до пределов минус 5 «10 - ми-

5

0

0

5

5

0

0

5

нус 1/°С, а ТКС защищенных тензорезисгоров практически не меняется. Замеряют величину ухода начального выходного сигнала в температурном диапазоне 2ПО°С без испытуемого шунта и по знаку полученного значения подключают в необходимое плечо к защищенному тензоречистору испытуемый шунт. Замеряют величину ухода начального выходного сигнала в том же температурном диапазоне с подкпюченным испытуемым шунтом. Рассчитывают величину требуемого термокомпенсапионного шунта и подключают его в место испытуемого шунта. Далее проверяют температурный уход начального выходного сигнала с подключенным термокомпенса- цнонным шунтом ЈДПОТ ы (гV . Рассчитывают величину относительной погрешности (р с учетом того, что нормированный выходной сигнал тенчомосга равен 10 мВ.

При необходимости проведения более точной настройки (более точно:о определения величины тррмокомпенсациои- ного шунта) необходимо повторить настройку вторично, причем испытуемым шунтом будет спужить полученш и тер- мокомпенсационный шунт. В результате точность настройки повышается, а температурная погрешность снижается практически на порядок по сравнению со значением, полученным при первичной настройке.

Формула изобретения

Способ настройки ннтегральньгх ген- зометрических мое он, чакпючаюгдлйся в том, что измеряют начальный выходной сигнал моста двух различных температур, по знаку и-менеьия начального выходного сигнала моста определяют плечо моста, в которое подключают шунт и балансируют тензо- мос г, отличают и и с я тем, что, с целью повынения точности в условиях действия неравномерного температурного поля -за счет уменьшения аддитивной температурной погрешности, перед измерением начального выходного сигнала наносят на поверхность четырех тензорезнсгоров, включенных в каждое плечо моста, загштнын слои, окисляют п кислородной плазме тензометрический мест до достижения отрицательных значений температурного коэффициента

сопротивления в незащищенных тензо- резисторах, шунт подключают к защищенному тензорезистору, мост балансируют подключением переменного балансировочного сопротивления в смежное плечо моста параллельно незащищенному тензорезистору, после балансировки моста вновь измеряют изме

пением начального выходного сигнала моста с включенным шунтом и переменным балансировочным сопротивлением, рассчитывают требуемую величину термокомпенсационного шунта и включают его вместо ранее установленного шунта и вновь балансируют мост переменным балансировочным сопротивлением.

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензометриче- ских мостов, изготавливаемых по интегральной микроэлектронной технологии на основе металлопленочных тен- зорезисторов. Цель изобретения - повышение i-очности в условиях действия неравномерного температурного поля за счет уменьшения аддитивной температурной погрешности. Достигают указанную цель за счет уменьшения общего температурного коэффициента сопротивления тензомоста. Суть уменьшения состоит в окислении тензомоста в кислородной плазме, причем каждое плечо тенчомоста состоит из двух идентичных тензорезисторов, л по одному ия них защищены диэлектрическим слоем. Последующие исключения температурного выходного сигнала осуществляют шунтированием запшщенного тензорезистора необходимого плеча тензомоста и балансированием незащищенного тензорепистора смежного плеча параллельным подключением переменного сопротивления. 2 ил. (Л

Редактор Ю.Середа

Составитель ЕЛЧелина Техред И.Дидык

Заказ 330

Тираж 383

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Корректор М.Шароши

Подписное