Исследование температурного дрейфа и нелинейностей тензопреобразователей давления на основе керамики

УДК 681.586.72

В. М. Стучебников, А. А. Устинов, Ю. С. Нагорнов ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ДРЕЙФА И НЕЛИНЕЙНОСТЕЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КЕРАМИКИ

Аннотация. Рассмотрены тензопреобразователи давления на основе керамики и полупроводникового чувствительного элемента со структурой кремний на сапфире. Проведены исследования нелинейности и вариации выходного сигнала, температурного дрейфа керамических преобразователей с использованием различных видов керамики. Температурная погрешность керамических тен-зопреобразователей оказалась существенно ниже, чем у серийно выпускаемых преобразователей давления, а точности керамических и серийно выпускаемых тензопреобразователей сравнимы.

Ключевые слова: датчик давления, тензопреобразователь давления, структура

кремний на сапфире.

Abstract. The pressure transducers on ceramic basis and semi-conductor sensing elements made of heteroepitaxial silicon-on-sapphire structures are considered. The investigations of non-linearity, of the variation output signal and of the temperature dependence of the ceramic pressure transducers using different kind of ceramic basis are carried out. Temperature error of ceramic pressure transducers was essentially lower than in the serial pressure transducers. Accuracy of ceramic and the serial transducers are similar.

Keywords: pressure sensor, transducer of pressure, silicon-on-sapphire structure.

Введение

С 1960-х гг. интенсивно разрабатываются микроэлектронные датчики механических величин с тензорезисторной мостовой схемой, в которых в качестве чувствительных элементов используются полупроводники. Одним из важнейших измеряемых параметров является давление. На датчики давления приходится от 40 до 60 % от общего числа датчиков физических величин [1, 2]. При этом с каждым годом к метрологическим характеристикам датчиков, в том числе к точности и температурному дрейфу, предъявляют все более жесткие требования.

В России нашли широкое распространение интегральные тензорези-сторные преобразователи давления (ТП) с полупроводниковыми чувствительными элементами (ПЧЭ) на основе структур кремний на сапфире (КНС) [3]. Эти структуры представляют собой тонкие (0,1-10 мкм) слои монокри-сталлического кремния на монокристаллическом лейкосапфире (А12О3), выращенные обычно разложением моносилана [4]. ТП на таких структурах имеют ряд преимуществ перед традиционными кремниевыми тензопреобра-зователями [3, 5, 6]. Они успешно применяются в построении комплексов высокоточных, высокостабильных, надежных датчиков механических величин для систем контроля и управления разнообразными технологическими процессами во всех отраслях промышленности [3, 6], двигателестроении [7], для измерения давления криогенных [8] и высокотемпературных [9] сред и в других областях науки и техники.

В ТП давления используется мостовая схема из кремниевых тензорези-сторов. За счет соответствующего расположения на мембране радиальные и

тангенциальные тензорезисторы обладают противоположными знаками тен-зочувствительности [3]. Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения мостовой схемы от приложенного к мембране избыточного давления. Основными метрологическими характеристиками датчиков давления по ГОСТ 22521-85 являются нелинейность, вариация и повторяемость функции преобразования механической величины в электрический выходной сигнал, а также температурный дрейф выходного сигнала. Аналогичные характеристики имеют и ТП давления.

Существует две основные конструкции ТП, использующих ПЧЭ на основе структуры КНС: с однослойным упругим элементом из сапфира и двухслойным упругим элементом из сапфира и металла [10-12] (рис. 1).

а)

б)

Рис. 1. Схематическое изображение конструкций ТП давления с однослойным упругим элементом из сапфира (а) и двухслойным упругим элементом из сапфира и металла (б): 1 - тензорезисторы; 2 - ПЧЭ; 3 - металлический упругий элемент; 4 - керамическое основание

ПЧЭ на основе структур КНС широко используются в России, в частности в датчиках давления, выпускаемых в промышленной группе «МИДА» [3]. Наиболее широко используются двухслойные ТП (рис. 1,б), так как в этом случае можно использовать одинаковые ПЧЭ на все диапазоны давления, варьируя только толщину и диаметр металлической мембраны. Двухслойные ТП могут выдержать многократную перегрузку и даже при разрушении ПЧЭ сохраняют герметичность. Основной недостаток таких ТП -сильная нелинейная зависимость параметров (прежде всего, начального выходного сигнала) от температуры. Это увеличивает температурную погрешность преобразования и заставляет вводить температурную коррекцию выходного сигнала [13, 14]. Причиной температурного дрейфа начального выходного сигнала являются разные коэффициенты температурного расширения (КТР) металлической мембраны и сапфировой подложки ПЧЭ. От этого недостатка можно избавиться, используя ТП с однослойным упругим

элементом из сапфира и керамическим основанием. Применение керамики при производстве ТП давления уменьшает температурную погрешность преобразования из-за возможности лучшего согласования КТР керамики и сапфировой подложки, кроме того, это позволяет уменьшить стоимость ТП из-за использования керамики вместо дорогостоящих титановых сплавов и сложной металлообработки. Вместе с тем керамические ТП имеют ограниченное применение по диапазонам измеряемого давления.

В настоящей статье проведено исследование нелинейности, вариации выходного сигнала и температурной зависимости выходного сигнала керамических ТП давления.

1. Методика эксперимента

ПЧЭ со структурой КНС напаивался на керамическое основание. В качестве припоя использовался стеклопорошок, который наносился на керамическое основание и предварительно оплавлялся при температуре ~800 °С. Одновременно с ПЧЭ к керамическому основанию припаивался коваровый переходник, который затем сваривался с металлическим штуцером, через который подавалось избыточное давление.

Измерения были проведены на ТП, изготовленных из трех видов керамики с различным содержанием А1203, по три ТП для каждого вида керамики (табл. 1).

Таблица 1

Основные параметры керамических ТП

ТП

Толщина ПЧЭ, мкм 200 470 470

Номинальное давление, Бар 5 10 20

Измерения производились в диапазоне температур (-40...100 °С). Температура задавалась термокамерой ТВТ-1 (в диапазоне —40...100 °С с погрешностью ±0,5 °С). Для установления термостабильного режима перед каждым циклом измерений ТП выдерживались на заданной температуре в течение двух часов. Для измерения температуры использовалась термопара хромель -копель, один из спаев которой крепился рядом с ТП, а другой помещался в колбу в пары кипящей дистиллированной воды. Напряжение на концах термопары измерялось вольтметром Agilent 34970A. Давление задавалось грузопоршневым образцовым манометром МП60 М класс 0.02 ТУ 50.418-84.

Источником питания служил аккумулятор с напряжением 12 В, которое дополнительно стабилизировалось и понижалось до 5 В стабилизатором LM317. Величина тока, проходящего через мостовую схему, измерялась косвенным методом по падению напряжения на последовательно включенном в цепь токосъемном резисторе. Сопротивление токосъемного резистора составляло 105 ± 0,03 Ом.

Выходной сигнал ТП измерялся универсальным вольтметром Agilent

_3

34970A с точностью не хуже 2,5 х 10 %. Для получения достоверного ре-

зультата для каждого давления количество измерений составляло не менее 10, после чего полученные данные усреднялись и обрабатывались.

Результаты измерений от вольтметра передавались через интерфейс Я8-232 к 1ВМ-РС-совместимому компьютеру для последующей обработки.

2. Результаты измерений

Нелинейности нагрузочной характеристики для всех ТП имеют примерно одинаковый вид и различаются только абсолютным значением нелинейности (рис. 2).

0.25

0 1 2 3 4 5

Давление, Бар

Рис. 2. Типичный вид нелинейной нагрузочной характеристики керамического ТП при 30 °С

Результаты измерения нелинейности и вариации нагрузочной характеристики для трех типов ТП представлены в табл. 2.

Таблица 2

Нелинейность и вариация керамических ТП

Нелинейность прямого хода, % Нелинейность обратного хода, % Вариация, %

ТП (керамика № 1) 0,176 0,204 0,017

ТП (керамика № 2) 0,038 0,041 0,032

ТП (керамика № 3) 0,036 0,028 0,015

Температурный дрейф начального выходного сигнала и диапазона выходного сигнала измерялся в диапазоне температур -40...100 °С. Изменение начального выходного сигнала относительно значения при 30 °С показано на рис. 3.

Рис. 3. Температурный дрейф начального выходного сигнала ТП с основанием из трех видов керамик

3. Обсуждение результатов

Более высокая нелинейность нагрузочной характеристики у ТП на керамике № 1 связана с большей, по сравнению с другими видами ТП, деформацией ПЧЭ, который имеет минимальную толщину (табл. 1). С уменьшением толщины мембраны для данного номинального давления нелинейность увеличивается [14]. При увеличении толщины ПЧЭ максимальное допустимое давление увеличивается нелинейно. Например, при ПЧЭ толщиной 200 мкм давление разрушения составило 8 Бар, а при толщине 470 мкм -40 Бар.

Температурный дрейф начального выходного сигнала для ТП трех видов существенно различается по абсолютной величине (рис. 3). Дрейф начального выходного сигнала ТП вызван разными КТР керамики и ПЧЭ с подложкой из сапфира. КТР керамики зависит прежде всего от его состава. Чем

больше керамика содержит окиси алюминия, тем меньше разница в коэффициентах температурного расширения керамики и сапфировой подложки.

Таблица 3

Температурный дрейф начального выходного сигнала и диапазона

Керамика № 1 Керамика № 2 Керамика № 3

Изменения начального выходного сигнала, мВ 0,033 0,383 1,307

Изменения диапазона выходного сигнала, % 0,308 0,338 0,327

Температурная погрешность, % 0,051 1,483 4,408

Сравнительные характеристики керамических ТП давления и двухслойных серийно выпускаемых промышленной группой «МИДА» ТП давления с двухслойной мембраной (рис. 1,б) приведены в табл. 4.

Таблица 4

Основные параметры керамических и титановых преобразователей давления

Номинальное давление, Бар Диапазон выходного сигнала, мВ Нелинейность, % Вариация, % Точность, % Температурная погрешность, %

ТП (керамика № 1) 5 54,339 0,204 0,017 0,205 0,051

ТП 113 М60 6 72,010 0,043 0,040 0,059 5,285

ТП (керамика № 2) 10 19,931 0,041 0,032 0,052 1,483

ТП 113 1М0 10 62,131 0,076 0,023 0,079 7,330

ТП (керамика № 3) 20 19,137 0,036 0,015 0,039 4,408

ТП 170 2М5 25 47,836 0,082 0,042 0,092 5,339

Точность ТП давления примерно одинакова для керамических и двухслойных преобразователей и укладывается в 0,1 %, за исключением ТП на керамике № 1. Большая нелинейность этого ТП объясняется малой толщиной ПЧЭ, о чем свидетельствует большой диапазон выходного сигнала преобразователя.

Существенно меньший температурный дрейф начального выходного сигнала у керамических преобразователей, на керамике № 1, в особенности, из-за лучшего согласования КТР керамики и подложки чувствительного элемента. Можно ожидать более высокую временную стабильность керамических ТП из-за того, что в их конструкции отсутствует металл, который имеет пластическую деформацию и со временем может изменять свои упругие свойства. Основным плюсом керамических ТП давления является малый температурный дрейф начального выходного сигнала и, следовательно, небольшая температурная погрешность. Это позволяет использовать их без дополнительной коррекции температурной зависимости параметров. Керамические

ТП давления более стойкие к агрессивным средам, чем ТП с титановой мембраной.

Одним из основных недостатков керамических ТП является их малая перегрузочная способность - двукратная перегрузка по давлению. Преобразователи на титановой мембране могут выдержать пятикратную перегрузку и даже при разрушении чувствительного элемента ТП сохраняют герметичность. Керамический ТП должен иметь на каждое давление свой ПЧЭ, тогда как двухслойные ТП имеют одинаковый ПЧЭ на все диапазоны.

Керамические преобразователи давления могут быть востребованы для измерения атмосферного давления, поскольку в этом случае не требуется большая перегрузочная способность.

Заключение

В работе были исследованы ТП давления на основе керамики и ПЧЭ со структурой КНС. Нелинейность и вариация выходного сигнала большинства керамических ТП не хуже 0,1 % так же, как у серийно выпускаемых ТП давления промышленной группы «МИДА». Вариация нагрузочной характеристики керамических ТП составила в среднем 0,021 %. Точность керамических преобразователей укладывается в 0,1 %. Температурная погрешность ТП с основанием из керамики № 1 составил 0,051 % в диапазоне температур (-40...80) °С, тогда как у серийно выпускаемых ТП с металлической мембраной температурная погрешность на два порядка больше. Низкая температурная погрешность преобразования позволяет использовать ТП без дополнительной схемы термокомпенсации.

Список литературы

1. Ваганов, В. И. Интегральные тензопреобразователи / В. И. Ваганов. - М. : Энергоиздат, 1983. - 136 с.

2. Стучебников, В. М. Маркетинг микроэлектронных датчиков / В. М. Сту-чебников // Зарубежная радиоэлектроника. - 1991. - № 8. - С. 3-6.

3. Стучебников, В. М. Структуры «КНС» как материал для тензопреобра-зователей механических величин / В. М. Стучебников // Радиотехника и электроника. - 2005. - Т. 50. - № 6. - С. 678-696.

4. Папков, В. С. Эпитаксиальные кремниевые слои на диэлектрических подложках и приборы на их основе / В. С. Папков, М. Б. Цыбульников. - М. : Энергия, 1979. - 88 с.

5. Стучебников, В. М. Тензорезисторные преобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур Кремний на сапфире / В. М. Стучебников // Измерения, контроль, автоматизация. - 1982. - № 4. - С. 15-26.

6. Stuchebnikov, V. M. SOS Strain Gauge Sensors For Force And Pressure Transducers / V. M. Stuchebnikov // Sensors and Actuators. - 1991. - V. 28. - № 3. -P. 207-213. - (Ser. A).

7. Allan, R. Transducers make use of SOS diaphragms / R. Allan // Electronics. -1979. - V. 52. - № 24. - P. 42-43.

8. Лурье, Г. И. Измерение давления в криогенных средах / Г. И. Лурье, В. М. Стучебников // Измерения, контроль, автоматизация. - 1989. - № 2 (70). - С. 18-25.

9. Стучебников, В. М. Оптимизация характеристик высокотемпературных тензо-преобразователей на основе структур КНС / В. М. Стучебников, В. И. Суханов // Датчики на основе технологии микроэлектроники : материалы семинара МДНТП. -М., 1983. - С. 47-50.

1G. Никифорова, З. В. Пайка сапфировых мембран с высокопрочными сплавами титана I З. В. Никифорова, С. Г. Румянцев, С. Л. Киселевский, В. И. Евдокимов II Сварочное производство. - 1974. - № 3. - С. 35-39.

11. Белоглазов, А. В. Полупроводниковые тензопреобразователи силы и давления на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире» I А. В. Белоглазов, В. М. Стучебников, В. В. Хасников [и др.] II Приборы и системы управления. - 1982. - № 5. - С. 21-27.

12. Папков, Н. С. Нелинейность механического преобразования в микроэлектронных датчиках давления I Н. С. Папков, В. С. Папков, В. М. Стучебников II Датчики и системы. - 1999. - № 5. - С. 3G-35.

13. Мартынов, Д. Б. Температурная коррекция тензопреобразователей давления на основе КНС I Д. Б. Мартынов, В. М. Стучебников II Датчики и системы. -2GG2. - № 1G. - С. 6-12.

14. Стучебников, В. М. О нормировании температурной погрешности тензорезисторных полупроводниковых датчиков I В. М. Стучебников II Датчики и системы. - 2GG4. - № 9. - С. 15-19.

Стучебников Владимир Михайлович

доктор технических наук, генеральный директор ЗАО «МИДАУС»

E-mail: mida@mv.ru mida@mv.ru

Устинов Алексей Андреевич магистр, Ульяновский государственный университет; инженер ЗАО «МИДАУС»

E-mail: ahsel@bk.ru

Нагорнов Юрий Сергеевич кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра физических методов в прикладных исследованиях, Ульяновский государственный университет

E-mail: imfit@ulsu.ru

Stuchebnikov Vladimir Mikhaylovich

Doctor of engineering sciences,

chief executive of «MH^AyC» corporation

Ustinov Aleksey Andreevich Master, Ulyanovsk State University, engineer for «MH^AyC» corporation

Nagornov Yuriy Sergeevich Candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, sub-department of physical methods in applied research, Ulyanovsk State University

УДК 658.G12.G11.56: 658.264 Стучебников, В. М.

Исследование температурного дрейфа и нелинейностей тензопре-образователей давления на основе керамики I В. М. Стучебников, А. А. Устинов, Ю. С. Нагорнов II Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2G1G. - № 2 (14). - С. 62-69.