2.1 Характеристики и параметры мостовых тензорезисторных преобразователей давления

В интегральных тензопреобразователях широкое применение получила мостовая схема из тензорезисторов, показанная на рисунке 2.1. За счет соответствующего расположения на мембране тензорезисторы R1 и R4 обладают одним знаком тензочувствительности, а R2 и R3 - противоположным. Общую точку резисторов R2 и R4 можно объединить с выводом подложки интегральной микросхемы преобразователя.

Рисунок 2.1 - Мостовая тензорезисторная схема

Преобразовательную характеристику на рисунке 2.2, представляющую собой зависимость выходного напряжения мостовой схемы Uвых от приложенного к мембране избыточного давления q, для двух значений температуры Т0 и Т1 определяют следующие параметры:

1) начальный разбаланс U0 - выходное напряжение тензорезисторной схемы при нулевом давлении (q=0) и температуре Т0. Разбаланс вызван технологическим разбросом номиналов тензорезисторов, полученных в процессе изготовления ТП, а также начальной деформацией упругого элемента;

Рисунок 2.2 - Преобразовательная характеристика интегрального тензопреобразователя

2) диапазон линейного преобразования q - область давлений, в которой выходной сигнал мостовой схемы Uвых линейно (с определенной степенью точности) зависит от давления q:

q = qном - qном, (2.1)

где qном , qном - номинальные диапазоны линейного преобразования положительного и отрицательного избыточных давлений соответственно.

Различные ТП имеют разные диапазоны линейного преобразования, которые изменяются в очень широких пределах от единиц килопаскаля до сотен мегапаскалей. Нелинейность преобразовательной характеристики определяется несколькими причинами, которые условно можно разбить на три категории:

а) нелинейность преобразования давления в механические напряжения;

б) нелинейность пьезорезистивного эффекта;

в) нелинейность измерительной электрической схемы;

3) сдвиг преобразовательной характеристики q0. Обусловлен различием в диапазонах qном и qном линейного преобразования положительного и отрицательного давлений. В свою очередь, указанное различие объясняется, во-первых, различной нелинейностью при подаче избыточного давления с разных сторон мембраны (так называемый баллон-эффект). Во-вторых, начальной деформацией мембраны при нулевом давлении (q=0) и нормальной температуре (Т=Т0). Эта деформация определяется механическими напряжениями, возникающими на границе кремний-- двуокись кремния после термического окисления. Сдвиг определяется следующим образом:

q0 = (qном + qном )/2. (2.2)

Для мембран диаметром 1 мм, толщиной 10 - 20 мкм при толщине окисла SiO2 0,4 - 0,6 мкм сдвиг q0 может достигать 10 кПа;

4) чувствительность тензопреобразователя S0 (при температуре Т0). Определяется как отношение приращения выходного сигнала к приращению приложенного давления, отнесенное к напряжению питания мостовой схемы. Чувствительность ТП зависит от многих факторов, таких как ориентация TP относительно кристаллографических осей кремния, их местоположение на мембране, степень легирования кремния и т. д;

5) температурный дрейф нуля - приращение выходного напряжения в отсутствии приложенного давления, отнесенное к номинальному значению выходного сигнала, при изменении температуры на 1°С.

Температурный дрейф вызывается рядом причин, главная из которых - технологический разброс температурных коэффициентов сопротивлений (ТКС) тензорезисторов;

6) температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) - относительное изменение чувствительности при изменении температуры на 1°С.

Этот параметр обусловлен наличием температурной зависимости тензочувствительности полупроводниковых TP и определяется в основном степенью легирования примесями, а также зависимостью упругих постоянных от температуры.

Таким образом, реально существующие погрешности ТП определяются принципом работы и технологией изготовления. Поэтому для создания унифицированных датчиков, обеспечивающих полную взаимозаменяемость при установке в различные агрегатированные комплексы и системы, необходима настройка следующих параметров:

- напряжения U0 (балансировка мостовой схемы);

- номинального выходного напряжения (градуировка);

- дрейфа нуля в заданном диапазоне температуры;

- изменения чувствительности преобразователя с температурой.

Балансировка мостовой схемы наиболее просто осуществляется подстроечным внешним резистором, включенным параллельно или последовательно с одним из плеч моста. Однако такое включение балансирующего резистора может внести дополнительную погрешность в температурный дрейф нуля мостовой схемы, если этот резистор имеет ТКС, отличный от ТКС тензорезистора, или если он находится при различных температурных условиях с интегральным тензопреобразователем. Поэтому при каждой балансировке предпочтительно использовать подстроечные компоненты, изготовленные на одной подложке с мембраной за один технологический цикл, а следовательно, имеющие температурные характеристики, близкие к характеристикам тензорезистора. Такими компонентами могут быть, например, магазины диффузионных резисторов [5].

Другим методом балансировки является включение последовательно с измерительной диагональю моста балансирующего напряжения. Если для усиления сигнала ТП используется операционный усилитель (ОУ), то такое балансирующее напряжение может обеспечить схема внешней регулировки напряжения смещения нуля усилителя (резисторы R3, R4, R5, R6 на рисунке 2.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.3 - Балансировка мостовой схемы с помощью внешней регулировки напряжения смещения нуля операционного усилителя

Градуировка возможна путем изменения питающего напряжения (или тока) или включения параллельно выходной диагонали моста шунтирующего сопротивления. Однако наиболее приемлемым для этой цели является регулирование коэффициента усиления последующего усилителя, входящего в схему ТП. Перспективны операционные усилители, изготовленные на одном кристалле с тензорезисторами или являющиеся составной частью гибридного интегрального тензопреобразователя. Резисторы обратной связи ОУ, определяющие коэффициент усиления, можно выполнить по тонкопленочной технологии и подстраивать их в этих схемах с помощью лазера.

Уменьшение температурных погрешностей ТП является одной из основных и наиболее сложных задач, различные способы решения которой заслуживают отдельного рассмотрения. Вопрос минимизации температурных погрешностей должен частично решаться уже на стадии проектирования приборов, на этапе выбора конкретного конструктивно-технологического решения. Сами же методы термокомпенсации, используемые на этом этапе, можно назвать конструктивно-технологическими, в отличие от схемных и алгоритмических методов, используемых после изготовления чувствительного элемента.