Компенсация температурной погрешности пьезорезистивных датчиков давления с помощью полумостовой схемы: анализ метода

7. Grigor'Ev A.V., Grishko A.K., Goryachev N.V., Yurkov N.K., Mlcheev A.M. Contactless three-component measurement of mirror antenna vibrations // 2016 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016 - Proceedings.

8. Надырбеков Г.Ж., Григорьев А.В., Кочегаров И.И., Лысенко А.В., Стрельцов Н.А. Структурное описание размытия изображения круглой метки при возвратно-поступательном вибрационном перемещении исследуемой материальной точки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 017. Т.2. С. 11-13.

9. Нуржанов Д.Х., Григорьев А.В., Трусов В.А., Баннов В.Я., Стрельцов Н.А. Анализ размытия изображения круглой метки при возвратно-поступательном вибрационном перемещении исследуемой материальной точки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2017. Т.2. С. 14-16.

10. Каражанов Б.Б., Григорьев А.В., Данилова Е.А., Гришко А.К. Особенности отображения вектора вибрационного перемещения материальной точки в плоскости изображения // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2017. Т.2. С. 16-20.

11. Григорьев А.В., Юрков Н.К., Трусов В.А., Баннов В.Я. Структура методики анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. №2. С. 28-31.

12. Григорьев А.В., Затылкин А.В., Лысенко А.В., Таньков Г.В. Формирование и описание отсчетных сегментов следа вибрационного размытия изображения круглой метки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. №2. С. 31-37.

13. Григорьев А.В., Кочегаров И.И., Бростилов С.А., Горячев Н.В., Андреев П.Г. Анализ отсчетных сегментов следа вибрационного размытия изображения круглой метки // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. №2. С. 37-41.

14. Григорьев А.В., Гришко А.К., Лапшин Э.В., Наумова И.Ю., Данилова Е.А., Юрков Н.К. Вычисление выходных параметров системы измерения модуля и компонент вектора вибрационного перемещения исследуемой материальной точки объекта контроля // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. №2. С. 41-44.

УДК 681.2:658.62.018.012

Дробынин1 М.Е., Львов2 П.А., Львов1 А.А., Мельникова1 Н.И.

1ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия

2ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева, Энгельс, Саратовская обл., Россия

КОМПЕНСАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПОЛУМОСТОВОЙ СХЕМЫ: АНАЛИЗ МЕТОДА

В работе предложен метод компенсации полумостовой схемы для снижения температурного дрейфа постоянного смещения и увеличения динамического диапазона пьезорезистивного датчика давления. Рассмотрены случаи, когда в качестве источника сигнала мостовой схемы используются источники постоянного напряжения и постоянного тока. Проведен теоретический анализ результирующего напряжения смещения выходного сигнала схемы в зависимости от измеряемого давления и температуры окружающий среды.

Ключевые слова:

ПОЛУМОСТОВАЯ СХЕМА, ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ, РЕЖИМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ

1 Введение

Микродатчики были разработаны достаточно давно, они являются устоявшейся технологией в микро-электромеханических системах. Главным направлением в разработке таких датчиков являются уменьшение размеров системы при обеспечении функциональности, качества и уменьшении количества материалов, используемых для производства с целью снижения конечной стоимости продукта. Микродатчики давления могут применяться в таких сферах как информатика, коммуникации, бытовая электроника, биотехнологии, изготовление полупроводниковых материалов и прочие связанные производства. Особое место занимают датчики давления в авиационной отрасли, где они должны сохранять свои характеристики в большом диапазоне температур [12-15].

Микродатчики давления, использующие кремний, разделяются на три типа: пьезорезистивные, пьезоэлектрические и емкостные. Среди них, самым широко используемым типом является пьезорези-стивный датчик давления. Пьезорезистиные кремниевые датчики давления основаны на хорошо проявляющемся пьезорезистивном эффекте самого кремния. При воздействии внешнего давления, пьезо-резистор изменяет свое строение, что вызывает изменение соответствующего выходного сигнала. Пьезорезисторы часто соединяются по мостовой схеме для увеличения чувствительности датчика и уменьшения поперечной чувствительности.

Несмотря на это, главной проблемой пьезоре-зистивных датчиков давления остается большая чувствительность кремния к температуре. Температурный эффект проявляется в изменении динамического диапазона измерений и возникновении постоянного смещения выходного сигнала датчика [1]. В последнее время было предложено множество способов температурной компенсации, таких как:

термокомпенсация с использованием двойного моста [2-4], лазерной обработки [5], использованием внешних резисторов [6], и цифровой компенсации [7]. Обычно, эти методы применяются для ограниченного интервала температур и давлений. Термокомпенсация с использованием двойного моста может успешно справляться с смещением нуля давления и ошибками, вызванными вариациями обработки [2,8]. Важной проблемой остается обеспечение температурной компенсации, что обусловлено различием в температурах окружающей среды пьезоре-зистивного и компенсационного мостов, расположенных на значительной части чипа датчика [9]. В данной работе исследуется новая структура пье-зорезистивного датчика давления, основанная на методе полумостовой компенсации.

2 Температурный эффект датчика на основе мостовой схемы Уитстона

Общая схема моста Уитстона приведена на рис. 1. Она используется для обнаружения несбалансированного выходного напряжения, вызванного изменением температуры или давления. Существует два типа питающего напряжения, с применением постоянного тока или постоянного напряжения, приложенного к схеме компенсации.

2.1 Питание схемы постоянным напряжением

Как видно из рис. 1, Rl, R2, Rз, и R^ - четыре резистора, формирующие мост Уитстона, Vвх - входное напряжение, приложенное к нему. Структурный вид этих резисторов представлен на рис. 2. Они попарно расположены в перпендикулярном и параллельном направлениях относительно краев мембраны. При такой конфигурации, колебания сопротивления этих резисторов под воздействием давления будут противоположны по знаку. На рис. 2 резисторы Rкl и Rк2 расположены за пределами диафрагмы.

Рисунок 1 - Датчик с полумостовой схемой компенсации

Они используются только для температурной компенсации и не будут изменяться при приложении давления, поэтому не будут влиять на характеристики моста. Предполагается, что все резисторы на схеме имеют практически идентичные характеристики, и изменяют собственные сопротивление одинаково при изменении температуры. Обозначим изменение сопротивления, вызванное изменением температуры, как ЙЯТ. В нормальных условиях, ЙЯТ и ЙЯР будут равны нулю. Выходное напряжение моста Уитстона можно найти из выражения [1]:

= • •,

V X V

*0 .

Рисунок 2 - Структура пьезорезистивного датчика давления с компенсирующими резисторами

Поведение смещения. Рассмотрим динамическое состояние при отсутствии измеряемого давления. Добавим изменение температуры йЯТп в (1), и перепишем уравнение в виде:

у =у («2 + АДУ 2 )(«4 + АДУ 4 ) - («1 + АКп )(«3 + 3) ™ и [(«1 + Айп) + («2 + Щ2)] [(«3 + Жт3) + («4 + Щ4)]

В идеальном случае, значения сопротивлений резисторов (Й1,..., Ял) одинаковы и равны Я. Обозначим изменения сопротивлений резисторов при воздействии температуры как ЙЯТ, тогда (2) может быть переписано как:

(Я + АКТ )2-(Я + АКТ )2

2 (К + АКТ )2

Очевидно, что в идеальном случае при постоянном напряжении отклонение не будет влиять на изменение при изменении температуры и будет равно нулю, что следует из (3). В реальности, обычно противоположные резисторы моста Уитстона равны, но отличаются от резисторов в смежных ветвях, так как их соединение принципиально отличается (параллельно и перпендикулярно сторонам мембраны) [10]. Более того, при изготовлении кристалла микросхемы резисторы располагаются на очень маленькой диафрагме, вследствие чего их сопротивление и температурные коэффициенты будут практически равны, что приводит к незначительным колебаниям между резисторами, вызванными неточностями в процессе изготовления, концентрацией примесей или другими физическими воздействиями. Эти небольшие отличия вызывают смещение выход-

ного сигнала. Предположим изменения сопротивления резисторов в границах 1% будет вызывать изменения смещения от +5 до -5 мВ/В. Если различия в температурных коэффициентах будут находиться в пределах 0,1%, это будет вызывать изменения смещения от +0,5 до - 0,5 мВ/В. Этот результат можно легко получить из (2) для наихудшего случая.

Свойства выходного сигнала моста. Пьезорези-стивный коэффициент Р(Ы,Т), исследовался для кремния р-типа в [1, 11]. Обнаружено, что пье-зорезистивность возрастает с увеличением объема примесей и повышением температуры. Чувствительность к давлению и выходное напряжение изменяется с повышением температуры в обычном пьезо-резистивном датчике. Электрическая емкость полупроводника может быть определена как:

а = + ,

где д означает элементарный заряд (величину электрического заряда), п - плотность свободных электронов, р - плотность свободных дырок, цп -мобильность электронов, цр - мобильность дырок. Сопротивление полупроводника обратно пропорционально о:

Р = - = —,-1-7

а 9

В общем случае для внешнего полупроводника важна только одна его часть в уравнениях (4) и (5). Для полупроводника р-типа удельное сопротивление резистора р, определяется как: р = УЦрЦр , где р означает плотность легирования

легирующей примеси. Для более низкой концентрации легирования подвижность уменьшается с ростом температуры из-за рассеяния решетки. Для более высокой концентрации легирования подвижность возрастает с ростом температуры из-за примесного рассеяния [1]. Как только задается концентрация легирования, температурный коэффициент резисторов будет следовать этому правилу. Предположим, что сопротивления четырех резисторов равны значению Я. Изменения резисторов при приеме внешнего давления или изменения температуры принимаются как ДЯР и ДЯТ соответственно. ДЯРТ - отклонение ДЯР из-за изменения температуры. Поэтому результирующее выходное напряжение моста Уитстона может быть представлено как [1]:

у =у

Как уже упоминалось, пьезосопротивление уменьшается с ростом температуры, что равно ДЯРТ с отрицательным значением при увеличении температуры. Кроме того, электропроводность полупроводника будет изменяться с изменением температуры, освещения, магнитного поля и незначительных примесей [11]. Исходя из уравнения (6), выход моста будет меняться, так как ДЯТ и ДЯРТ появились из-за изменения температуры.

2.2 Питание схемы постоянным током

Согласно рисунку 1, а в режиме постоянного тока, выходное напряжение моста Уитстона определяется как,

112R2 — 134r3 *

Но по первому закону Кирхгофа Io = I12 + I34, поэтому

R, + R4 т r R + R2

J12 -

10

и

134

10

Д + Д + Д + Д 0 Д + Д + Д + Д

где 112 обозначает ток протекающий по ветви моста через сопротивления Rl и R2, а Iз4 - через Rз и Ток Io задается источником постоянного тока, которым «запитывается» мост Уитстона. Подставив последние соотношения в (7), получим:

= 70 Д •Д -Д •Д

0 д + Д + Д + Д

Поведение смещения. Рассмотрим динамическое состояние без приложения давления, при тех же условиях, при которых был рассмотрен режим постоянного напряжения. Изменение сопротивлений мостовой сехмы, вызванное изменением температуры обозначим как йRTn. Подставим эти изменения в уравнение (8) и перепишем его в следующем виде:

у г

0

Если предположить, что сопротивления резисторов, включенных в мостовую схему, примерно одинаковые и равны R, помимо этого допустить, что изменения сопротивлений резисторов при изменении температуры тоже одинаковые и равны ДRT, то из соотношения (9) тривиально следует результат:

^ - I П -Н /\П„ I

*о

(R + AR )2-(R + AR )2

0 4

Поэтому из (10) можно заключить, что смещение в идеальном случае также равно нулю. Рассматривая реальный случай, сравним соотношения (2) и (9) в ограниченных условиях. При появлении различия между значениями сопротивлений четырех резисторов, оказывается, что изменение значения смещения в режиме постоянного напряжения в результате воздействия температуры будет меньше, чем в режиме постоянного тока [1].

Свойства выходного сигнала моста. Предположим значение сопротивления четырех резисторов равным R. По-прежнему изменения сопротивления при воздействии внешнего давления или температуры обозначим как йRP и йRT соответственно. йRPT - это изменение ДRP, вызванное изменением температуры. Выходное напряжение в режиме постоянного тока, показанное в уравнении (9), может быть переписано как:

Д (Д АД, АД, АДГ) ~ 0 Д (Д АД, АД, АДГ) ,

где

Д (R, ДД, AR, ДДГ) = (Д + (AR 2 + ARfr2) + ДД2) х х(R4 + (ARP4 + ARPT4) +ART4)-(R3 -(ARP3 + ARPT3) + ART3)х х ( R - ( ARP1 + ARPT1) + ART1), Д (R, AR, AR, ARpj,) = (R - (ARP1 + ARr! ) + ARn) + +(R2 + (ARP2 + ARP72) + AR72) + (R -(ARP3 + ARm) + AR73) +

+

После несложных преобразований в (11) имеем:

Кьх - Io

Сравнивая уравнения (6) и (12), можно увидеть, что значение RRPT выходного напряжения из-за приложенного давления в режиме постоянного тока никогда не может быть отброшено, независимо от того, как повлияла температура. Но величина RRT в выражении для выходного напряжения в режиме постоянного тока может не учитываться при теоретических расчетах. Это самая важная причина, по которой компенсированный датчик обычно предпочитают использовать в режиме постоянного тока вместо режима постоянного напряжения. В режиме постоянного тока он обеспечивает возможность более простой температурной компенсации. Но необходимо сделать оговорку, что результаты анализа в обоих рассматриваемых режимах справедливы только в идеальным случае одинаковых сопротивлений, включаемых в плечи моста, когда многие из упомянутых параметров могут игнорироваться. Если же требуется рассмотрение реального зависимости выходного сигнала мостовой схемы от изменения давления и температуры, то необходимо в выражениях (1) и (8) рассматривать все параметры R, RRP, RRT, RRPT, считая их различными для каждого из четырех сопротивлений (не менее 16 параметров), что сделало бы анализ слишком громоздким для рассмотрения. 3 Выводы

Поскольку датчики давления наиболее широко используются для контроля параметров и управления процессами, главным приоритетом является повышение их точности, а также сокращение затрат на их производство.

Ключевым фактором в сокращении затрат на эти устройства является современные процессы разработки и изготовления. В работе описана новая методика полумостовой компенсации. Получены аналитические выражения для смещения выходного сигнала мостовой схемы и проанализировано влияние температуры на входное напряжение. В работе рассмотрены два случая, когда мостовая Уитстона схема питается постоянным напряжением и посто-янныым током. Показано, что во втором случае колебания температуры оказывают меньшее влияние на выходной сигнал.

ЛИТЕРАТУРА

1.Peng, K.H. The Temperature Compensation of the Silicon Piezo-Resistive Pressure Sensor Using the Half-Bridge Technique / K.H. Peng, C.M. Uang // Proceed, of SPIE. - 2004. - Vol. 5343. - P. 292-301.

2. Akbar, M. Temperature compensation of piezoresistive pressure sensors / M. Akbar, M.A. Shanblatt // Sensors and Actuators. - 1992. - Vol. 33. - No.3. - P.155-162.

3. Ko, W.H. Development of a miniature pressure transducer for biomedical applications / W.H. Ko, J. Hynecek, S F. Boettcher // IEEE Trans. Electron Devices. - 1979. ED-26. - P.1896-1905.

4. Double bridge technique for temperature compensation of piezoresistive pressure sensor / P.T. Hsieh, Y M. Chang, J M. Xu, C M. Uang // SPIE, Smart Structures and Integrated Systems. - 2002. -Vol. 4701. - P. 627-633.

5. Kowalaski, G. Miniature pressure sensors and their temperature compensation / G. // Sensors and Actuators. - 1987. - No. 11. - P. 367- 376.

6. MOS integrated silicon pressure sensor / H. Tanigawa, T. Ishihara, M. Hirata, K. IEEE Trans, Electron Devices. - 1985. - ED-32. - P.1191-1195.

7. Parsons, M. MAX1452 Reference Manual / M. Parsons, T. Allen, A.M. Makdessian. Integrated Products, Inc. Sunnyvale, CA, 2000.

8. Akbar, M. A fully integrated temperature compensation technique for piezoresistive pressure sensors / M. Akbar, M.A. Shanblatt // IEEE Trans., Instrum. Meas. - 1993. -Vol.42, - No.3. - P. 771-775.

9. Hou, C.G. A pressure sensor made of two piezoresistive bridges / C.G. Hou // IEEE Instrum. and Meas. Technology Conf. - 1996. - P. 506-512.

10. Sze, S.M. Semiconductor Sensors. Chap. 4, Wiley-Interscience, New York, 1994.

11. Silicon Sensors and Microstructures. Chap. 8, / J. Brysek, K.Petersen, J.R. Mallon et al. -Silicon Valley, 1991.

Kowalaski Suzuki // - MAXIM

12. Распределенная система датчиков для авионики, управляемая по беспроводному радиоканалу / А.А. Львов, П.А. Львов, М.С. Светлов, С.А. Кузин // Тр. Междунар. симп. «Надежность и качество»: в 2 т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза : ПГУ, 2017. - Т. 1. - С. 100-103.

13. Особенности применения микромеханических инерциальных датчиков при эксплуатации на летательных аппаратах вертолётного типа / Р.В. Ермаков, Д.В. Кондратов, А.А. Львов, Е.Н. Скрипаль // Тр. Междунар. симп. «Надежность и качество»: в 2 т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза : ПГУ, 2017. -Т. 2. - С. 122-124.

14 . Повышение точности емкостных датчиков давления для авиакосмической техники / С.А. Кузин, П.А. Львов, А.А. Львов, М.С. Светлов // Известия ЮФУ. Технические науки, № 3. - 2017. - С. 29-42.

15. Коновалов, Р.С. Высокотемпературные датчики давления / Р.С. Коновалов, А.А. Львов // Тр. Междунар. симп. «Надежность и качество»: в 2-х т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза: ПГУ, 2014. - Т. 2. - С. 48 -50.

имени Гагарина Ю.А.», Саратов

БЕСКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ, РАДИОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ, МНОГОПОЛЮСНЫИ РЕ-

ферромагнитного или аморфного материала определенных размеров (рис. 1). Так при подаче питания на измеритель в области его чувствительной зоны образуется изменяющееся магнитное поле, наводящее во внесенном в данную область материале вихревые токи, которые приводят к изменению амплитуды колебаний генератора.

УДК 621.396: 621.317.75

Николаенко1 А.Ю., Львов1 А.А., Львов2 П.А., Юрков3 Н.К.

1ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университ Россия

2ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева, Энгельс, Саратовская обл., Россия

3ФГБОУ ВО Пензенский государственный университет, Пенза, Россия

АНАЛИЗ БЕСКОНТАКТНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И ВИБРАЦИЙ

В статье представлен анализ методов измерения линейных перемещений и вибраций. Описаны преимущества и недостатки контактного метода измерения. Приведены бесконтактные методы, такие как индуктивные, емкостные, ультразвуковые, оптические и радиоволновые. Описан принцип действия каждого метода. Обсуждаются их преимущества и недостатки. Наиболее интересными, по мнению авторов, являются радиоволновые методы, которые хотя и уступают в точности оптическим методам, но лишены многих их недостатков. Описаны радиоволновые измерители на основе многополюсного рефлектометра (МР) и комбинированного МР (КМР), который состоит из собственно МР и многозондовой измерительной линии. Авторами выдвинута идея применения КМР с прямым понижением частоты в бесконтактных измерителях линейных перемещений и вибраций. Такой измеритель в совокупности с оптимальными алгоритмами обработки информации обеспечивает субмиллиметровую точность измерений и лишен главного недостатка МР — сложности проведения калибровки.

Ключевые слова:

ЛИНЕЙНОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ, ВИБРАЦИЯ, ФЛЕКТОМЕТР

ВВЕДЕНИЕ

При производстве, отладке и эксплуатации различных технических средств и механических систем возникает необходимость контроля точности и качества изготовления их отдельных узлов, поскольку данные параметры напрямую влияют на такие характеристики систем, как надежность, долговечность и корректность функционирования. Так в машиностроении ставятся задачи контроля вибрации станков и биения деталей, в автомобильной промышленности необходим контроль вибрации отдельных узлов автомобиля, а в энергетике - контроль вибрации лопаток газовых турбин. Поэтому одной из основных проблем является проблема разработки высокоточных измерителей перемещений, ускорений и вибраций.

В работах [1, 2] описано большинство измерителей механических параметров, принципов их работы и алгоритмов измерения. Для измерения ускорений, скоростей и параметров вибраций наибольшее распространение получили контактные датчики, которые имеют механическую связь с исследуемым объектом. Данные устройства просты в реализации, обладают сравнительно низкой стоимостью и приемлемой точностью. Однако у данного подхода есть существенные недостатки: датчик, закрепленный на подвижном объекте, подвержен механическим, температурным и другим негативным воздействиям, что приводит к сбоям и отказам в системах контроля состояния оборудования; отсутствует возможность измерения вибраций высокой частоты и малой амплитуды вследствие высокой инерционности датчика, приводящей к искажению формы сигнала; и, наконец, контактный датчик искажает истинную картину вибраций объекта, поскольку обладает собственным весом. Указанных недостатков лишены бесконтактные методы измерения.

БЕСКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Датчики, называемые бесконтактными, характеризуются отсутствием механической связи с объектом, расстояние до которого или перемещение которого они измеряют, поэтому они мало влияют на измеряемую величину [2]. Бесконтактные датчики могут использовать различные принципы измерений: индуктивный, емкостной, ультразвуковой, радиоволновой или оптический.

Индуктивные методы. Принцип действия индуктивных датчиков основан на изменении амплитуды колебаний генератора при перемещении в чувствительной зоне датчика металлического, магнитного,

Рисунок 1 - Схема катушки с подвижным сердечником: 1 - катушка; 2 - магнитный

сердечник; 1 - длина катушки; lf - глубина погружения сердечника в катушку; 1о - длина части катушки заполненной воздухом

Одно из основных преимуществ индуктивных датчиков перемещений состоит в том, что магнитное поле может проникать через все немагнитные материалы без потери точности определения расстояния до объекта. Другое преимущество магнитных датчиков заключается в том, что они могут работать в жестких условиях эксплуатации: при сравнительно высоких и низких температурах, при высокой влажности, наличии конденсата, загрязнений, и не подвержены коррозии [2].

Недостатки индуктивных датчиков состоят в том, что они, с одной стороны, чувствительны к внешним электромагнитным полям, а с другой -способны сами их индуцировать [1]. Поэтому индуктивные датчики необходимо помещать внутри кожуха, служащего магнитным экраном. Кроме того, существует необходимость тщательной намотки катушек, которая, в свою очередь, обуславливает дороговизну производства датчиков, особенно высокоточных приборов, требующих прецизионной намотки.

Индуктивные датчики применяются в системах для измерения толщины, при определении неровности поверхности и, поскольку индуктивные датчики известны своей надежностью при работе в сложных условиях, их применяют в случаях, когда необходимо обеспечить безопасность или высокую надеж-