Использование частоного преобразования для снижения погрешности тензорезистивного датчика

Вергазов НР.1, Петрин В.А.2, Тареева Ю.А.3 'Соискатель, 2 соискатель, 3 аспирант, Пензенский государственный университет ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧАСТОНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНОГО ДАТЧИКА

Аннотация

Проанализирована электрическая схема датчика давления с частотным выходным сигналом. Представлены результат моделирования, показывающие снижение температурной погрешности датчика для данной схемы.

Ключевые слова: тензорезистивный датчик давления, интегрирующий преобразователь, температурная погрешность.

Vergazov I.R.1, Petrin V.A.2, Tareeva Yu. A.3

1Applicant, 2 applicant, 3 post-graduate student,

Penza State University

USING FREQUENCY CONVERSION FOR DECREASE OF STRAIN GAUGE SENSOR ERROR

Abstract

The electric circuit of pressure sensor with frequency output signal is analyzed. The simulation results showing a decreasing of temperature error for this circuit are shown.

Keywords: strain gauge pressure sensor, integrating converters, temperature error.

Современные информационно-измерительные системы выдвигают повышенные требования к применяемым для их построения датчикам с точки зрения повышения метрологических и эксплуатационных характеристик, таких, как точность, надежность и стабильность [1 - 3].

Перспективным направлением для создания современных датчиков давлений является использование принципа частотного преобразования параметров резистивных чувствительных элементов (ЧЭ) с использованием метода интегрирующего развертывающего преобразования [4]. Достоинствами таких преобразователей являются широкие функциональные возможности, помехоустойчивость, относительная простота реализации и настройки схем, технологичность [4].

Одним из недостатков полупроводниковых резистивных ЧЭ является значительная температурная погрешность, уменьшение которой возможно путём применения различных топологических и конструктивно-технологических решений, введения в измерительную схему дополнительных компенсирующих терморезистивных элементов и т. п., так и вторичных преобразователей сигналов с первичных датчиков в удобные для передачи, хранения и обработки информации частотно-временные сигналы [1 - 3, 4, 5 - 8]. Во вторичных преобразователях, как правило, это удаётся осуществить за счёт схемотехнических решений [9, 10].

Примером для рассмотрения может служить устройство [11] для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом, представленная на рисунке 1.

Она включает тензомост датчика давления и частотный преобразо-ватель сигнала с выхода тензомоста датчика.

Частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста 18 датчика давления содержит интегратор 19 (рисунок 1), выполненный на операционном усилителе 20 и компаратор - на операционном усилителе 22, а также конденсаторы 21 и 23 в цепи отрицательной обратной связи и резисторы 24, 25 и 26. При этом резисторы 24 и 25 выполнены из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста 18 датчика давления, и установлены по контуру за периферией мембраны на её основании.

Выражение для выходной частоты преобразователя имеет вид

f

1

1

2(1 - 8 R + 2ш)С23

А

-+

8

R

А ,

R24 R25

где 8r = AR/R - относительное изменение сопротивления R тензомоста 18 под действием давления, m =- и n =-

RR

коэффициенты, равные отношению сопротивлений 24 и 25 к сопротивлению R тензомоста 18, С23 и С21- ёмкости конденсаторов 23 и 21, R„ - сопротивление резистора интегратора.

При разбалансе тензомоста 18 в ту или другую сторону, как это происходит в датчиках дифференциального давления, величина относительного изменения сопротивления плеч тензомоста будет изменяться в зависимости от

измеряемого давления в диапазоне от -0,01 до +0,01 (8R = 0 -^+0,01) и учитывая то, что эта величина значительно

меньше единицы, из выражения (1) можно определить девиацию частоты Af выходного сигнала преобразователя

30

±SR

2(1 + 2m)C23RH ’

которая может задаваться и устанавливаться более точно с помощью величин ёмкости С23 конденсатора 23 и сопротивления Rи резистора интегратора.

Зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста 8R согласно выражения (1) в диапазоне от - 0,01 до + 0,01

(относительных единиц), без учёта влияния температуры, при следующих параметрах схемы: сопротивление тензомоста R=700 Ом, сопротивления интегратора R^52630 Ом и R26=1250000 Ом, ёмкость конденсатора С23=20 пФ при отсутствии дополнительных резисторов 24 и 25 (n=m=0) носит линейный характер во всём диапазоне разбаланса (как в отрицательной, так и в положительной

области, а что частотаf выходного сигнала от разбаланса тензомоста изменяется от 5033 Гц при 8R = - 0,01 до 15000 Гц при 8R

=+0,01 и равна 10000 Гц при 8 R =0.

С учётом влияния температуры, при которой будут изменяться сопротивления плеч тензомоста (независимо от измеряемого давления) и сопротивления дополнительных резисторов 24 и 25, установленных на основании мембраны датчика давления в непосредственной близости от тензорезисторов, но в зоне нечувствительности к механическим дефор-мациям от измеряемого давления, для выходной частоты преобразова-теля выражение (1) принимает вид

f

1

2(1 - 8 RT + 2mT )С23 n

8RT + Q + 8RT + 2nT )

l R R J

m 8

где значения nT =---------, mT =--------, 8RT =---------, зависят от относительного изменения сопротивлений

1 + 8t 1 + 8t 1 + 8t

тензорезисторов, связанных с изменением температуры тензомоста и величиной температурного коэффициента сопротивления материала тензорезисторов.

На рисунке 2 показаны зависимости выходной частоты преобразова-теля от температуры и от соотношения резисторов 24 и 25 (и и т) при разбалансе тензомоста +0,01.

Зависимость Febix от температуры, отпит при разбалансе тензомоста =0,01

15600 15400 15200 L-^ 15000 ТО q 14800 Н ПЗ 14600 Т 14400 14200 14000

A f Д

-150 -100 -50 0 50 100 150

» п=т=0 15500 15322 15156 15000 14853 14714 14583

—n=m=l 15155 15102 15050 15000 14950 14901 14854

A n=m=4 15051 15034 15017 15000 14983 14967 14950

Рис. 2 - Зависимость выходной частоты преобразователя от температуры и от соотношения резисторов 24 и 25.

При включении в схему устройства резисторов 24 и 25 с увеличе-нием соотношения m=R24/R и n=R25/R (m=n=1; 4; и т.д.) и размещении их на основании мембраны датчика давления происходит уменьшение температурной погрешности преобразования частоты выходного сигнала, как показано на рис. 3.

С увеличением величины резисторов 24 и 25, например, в четыре раза (R24=R25=2 8 00 Ом), температурная погрешность не превышает 1 0,34% при разбалансе +0,01.

Таким образом, для заданных значений диапазона измеряемых давлений, температуры разогрева тензомоста, частотного диапазона выходного сигнала устройства, путём правильного подбора параметров элементов схемы частотного преобразователя сигнала с выхода тензомоста можно значительно уменьшить (или полностью компенсировать) погрешность измерения устройства, связанную с изменением температуры измеряемой среды и с разогревом тензомоста датчика давления.

Литература

1 Мокров Е.А., Баринов И.Н., Цибизов П.Н. Полупроводниковые пьезочувствительные элементы микроэлектронных датчиков давлений. Основы проектирования и разработки: учеб. пособие - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - 104 с.

2 Баринов И.Н., Цыпин Б.В. Состояние разработок и тенденции развития высокотемпературных тензорезистивных датчиков давлений на основе карбида кремния // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.-2010.- №11.-С. 50-60.

3 Баринов И.Н. Оптимизация параметров полупроводниковых чувствительных элементов датчиков абсолютного давления // Приборы.-2009. -№4.-С. 47-51.

4 Громков Н.В. Интегрирующие развёртывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления: монография - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - 244 с.

5 Баринов И.Н., Волков В.С. Обеспечение долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков абсолютного давления // Приборы.- 2012. - № 9. - с. 29 - 35.

6 Баринов И.Н., Федулов А.В., Волков В.С. Высокотемпературные датчики абсолютного давления на структуре «поликремний - диэлектрик» с улучшенными метрологическими характеристиками // Датчики и системы. - 2012. - № 10. - с. 2 - 6.

7 Волков В.С., Баринов И.Н. Полупроводниковые датчики давления на основе резонансного преобразователя // Приборы.-2012. - . № 7. - с. 9 - 14.

8 Волков В.С., Баринов И.Н. Автоматизация разработки диагностического обеспечения интеллектуальных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2009. - № 12. - с. 20 - 26.

9 Волков В.С., Фандеев В.П., Баринов И.Н. Использование информационных технологий для разработки диагностического обеспечения электронных устройств // Технологии приборостроения. - 2006. - № 4. - с. 21 - 23.

31

10 Волков В.С., Баринов И.Н. Использование системы Simulink при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.- 2011. - . № 7. - с. 50 - 55.

11 Васильев В.А., Громков Н.В.Устройство для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом. Заявка на изобретение №2009133752 от 08.09.2009г.

References

1 Mokrov E.A., Barinov I.N., Cibizov P.N. Poluprovodnikovye p'ezochuvstvitel'nye jelementy mikrojelektronnyh datchikov davlenij. Osnovy proektirovanija i razrabotki: ucheb. posobie - Penza: Izd-vo Penz. gos. un-ta, 2009. - 104 s.

2 Barinov I.N., Cypin B.V. Sostojanie razrabotok i tendencii razvitija vysokotemperaturnyh tenzorezistivnyh datchikov davlenij na osnove karbida kremnija // Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika.-2010.- №11.-S. 50-60.

3 Barinov I.N. Optimizacija parametrov poluprovodnikovyh chuvstvitel'nyh jelementov datchikov absoljutnogo davlenija // Pribory.-2009.-№4.-S. 47-51.

4 Gromkov N.V. Integrirujushhie razvjortyvajushhie preobrazovateli parametrov datchikov sistem izmerenija, kontrolja i upravlenija: monografija - Penza: Izd-vo Penz. gos. un-ta, 2009. - 244 s.

5 Barinov I.N., Volkov V.S. Obespechenie dolgovremennoj stabil'nosti parametrov vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh tenzorezistivnyh datchikov absoljutnogo davlenija // Pribory.- 2012. - № 9. - s. 29 - 35.

6 Barinov I.N., Fedulov A.V., Volkov V.S. Vysokotemperaturnye datchiki absoljutnogo davlenija na strukture «polikremnij -dijelektrik» s uluchshennymi metrologicheskimi harakteristikami // Datchiki i sistemy. - 2012. - № 10. - s. 2 - 6.

7 Volkov V.S., Barinov I.N. Poluprovodnikovye datchiki davlenija na osnove rezonansnogo preobrazovatelja // Pribory.- 2012. - . № 7. - s. 9 - 14.

8 Volkov V.S., Barinov I.N. Avtomatizacija razrabotki diagnosticheskogo obespechenija intellektual'nyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory.- 2009. - № 12. - s. 20 - 26.

9 Volkov V.S., Fandeev V.P., Barinov I.N. Ispol'zovanie informacionnyh tehnologij dlja razrabotki diagnosticheskogo obespechenija jelektronnyh ustrojstv // Tehnologii priborostroenija. - 2006. - № 4. - s. 21 - 23.

10 Volkov V.S., Barinov I.N. Ispol'zovanie sistemy Simulink pri imitacionnom modelirovanii vysokotemperaturnyh poluprovodnikovyh datchikov davlenija // Pribory.- 2011. - . № 7. - s. 50 - 55.

11 Vasil'ev V.A., Gromkov N.V.Ustrojstvo dlja izmerenija davlenija na osnove nano- i mikrojelektromehanicheskoj sistemy s chastotnym vyhodnym signalom. Zajavka na izobretenie №2009133752 ot 08.09.2009g.

Вергазов ИР.1, Тареева Ю.А.2, Петрин В.А.3

'Соискатель, 2аспирант, Соискатель, Пензенский государственный университет ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ В ЧАСТОТУ

Аннотация

Рассмотрены конструктивные преимущества резонансных измерительных преобразователей механических величин и преобразователей давления с частотным выходным сигналом, выполненных с использованием МЭМС-технологий. Показаны преимущества применения монокристаллического кремния в качестве материала для создания микромеханическихрезонаторов..

Ключевые слова: МЭМС-технология, датчик давления, кремниевый резонансный преобразователь, частотный выходной сигнал.

Vergazov I.R.1, Tareeva Yu.A.2, Petrin V.A.3

'Applicant, 2 post graduate student, Penza State University

THE DESIGN FEATURES OF FREQUENCY MEASURING TRANSDUCERS FOR PRESSURE MEASUREMENT

Abstract

The constitutive advantages of MEMS-based resonant measuring transducers for mechanical quantities measurement and pressure transducers with frequency output signal are reviewed. The advantages of monocrystalline silicone for micromechanical resonator manufacturing are shown..

Keywords: MEMS technology, pressure sensor, silicone resonant transducer, frequency output signal.

В современной измерительной технике интенсивно применяются измерительные преобразователи, основанные на применении МЭМС технологий. Применяемые в большинстве современных датчиках давления емкостной и тензорезистивный принципы измерения известны уже много лет и подошли к своему функциональному пределу. Известные проблемы стабильности, сильная температурная зависимость характеристик ограничивают возможности датчиков на основе этих принципов и приводят к их удорожанию в свете постоянно растущих требований к их характеристикам [1 - 4]. Устойчивость к внешним воздействиям (температура и статическое давление) для традиционных чувствительных элементов ограничиваются дрейфом нуля из-за перекоса подвижной обкладки (для емкостного принципа преобразования) и существенная зависимость сопротивления полупроводниковых тензорезистивных пленок от температуры (для тензорезистивного принципа преобразования) [3,4].

Современный уровень развития МЭМС технологий позволяет применять измерительные преобразователи, основанные на явлении механического резонанса. В таких устройствах возбуждаются колебания чувствительного элемента с резонансной частотой, которая определяется свойствами материала и геометрии элемента. Под действием измеряемой физической величины изменяется амплитуда и (или) фаза резонансных колебаний, по которым количественно оценивают входную величину [5, 6].

Использование монокристаллического кремния оказывается наиболее предпочтительным с точки зрения получения высоких характеристик резонатора. Благодаря монокристаллической структуре кремний имеет высокую упругость и хорошую временную стабильность механических свойств. Кроме того, монокристаллический кремний не имеет внутренних механических напряжений, и это свойство сохраняется в процессе формирования резонатора, что, в свете высокой тензочувствительности, обеспечивает хорошую воспроизводимость параметров резонатора. Применение кремниевой технологии позволяет создавать высокодобротные колебательные системы [6].

При использовании кремниевого резонатора собственную частоту колебаний определяют всего два параметра: масса и геометрические размеры резонансного элемента. Масса резонатора неизменна, геометрические размеры и форма на 4 - 5 порядков менее подвержены влиянию температуры и статического давления, чем электрические характеристики (емкость, сопротивление.

Применение кремниевого резонатора позволяет обойтись без промежуточного аналого-цифрового преобразования (деформация непосредственно преобразуется в частоту выходного сигнала) в отличие от емкостного и тензорезистивного чувствительного элемента. При этом зависимость частоты выходного сигнала от давления является линейной, что упрощает схему обработки измерительного сигнала. Применение кремниевых резонаторов позволяет обеспечить основную погрешность не более 0,01 %, включая влияние нелинейности, повторяемости, гистерезиса, и стабильность выходного сигнала порядка 0,1 % в течение 10 лет. Кроме того, это позволяет упростить диагностирование и поиск неисправностей в информационно-измерительных системах на основе подобных датчиков и повысить надежность [7 - 9].

32