УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ
DEVICE FOR MEASURING PRESSURE BASED ON NANO- AND MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM WITH FREQUENCY-DOMAIN OUTPUT SIGNAL

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в условиях воздействия температур измеряемой среды как в системах автоматического контроля, так и в цифровых приборах специального и универсального назначения.
Известны тензорезисторные датчики давления с тензорезисторами, расположенными на мембране в радиальном направлении и соединенными в мостовую измерительную цепь [1, 2]. Их общим недостатком является низкая точность в условиях воздействия температур измеряемой среды, они требуют дополнительных термокомпенсационных элементов (терморезисторов) и их подстройки. Это связано с появлением градиента температуры по радиусу мембраны, наличием температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов, неравномерного нагрева тензорезисторов и его частей. В результате появляется разбаланс мостовой измерительной цепи, не связанный с измеряемым давлением, точность измерения давления резко снижается. Погрешность от воздействия температуры может достигать 30-60%, тогда как в обычных условиях обеспечивается погрешность 0,5-1,5%.
Известен тензорезисторный датчик давления [3], основой которого является тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) с гетерогенной структурой. Под гетерогенными структурами в общем смысле понимают структуры, разнородные по своему составу или происхождению (принадлежности к той или иной форме, типу, группе, классу, системе). Датчики такого типа относятся к изделиям нано- и микросистемной техники [4].
2
Тензорезисторный датчик давления [3] содержит вакуумированный корпус, тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему, состоящую из упругого элемента в виде круглой жесткозащемленной мембраны, выполненной за одно целое с основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы. Они выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов. Каждый из них касается двумя вершинами границы мембраны. Диэлектрик выполнен в виде тонкопленочной структуры Cr-SiO-SiO, тензоэлементы - в виде структуры Х20Н75Ю, перемычки - в виде структуры V-Au.
Поскольку тензоэлементы идентичны и находятся на периферии мембраны на одинаковом расстоянии от ее центра, то, несмотря на изменение температуры на планарной стороне мембраны температуры тензоэлементов окружных и радиальных тензорезисторов, изменяясь, со временем будут одинаковы в каждый момент времени. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый момент времени вызывает практически одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются.
Недостатком устройств для измерения давления, содержащих указанные датчики давления и преобразователи сигнала с аналоговым выходом, является то, что они сильно чувствительны к нестабильности напряжения питания тензомоста, имеют температурную погрешность, связанную с разогревом тензорезисторов моста, как от влияния температуры окружающей и измеряемой среды, так и от токопрохождения.
Известен преобразователь [5] сигнала разбаланса тензомоста в частоту, содержащий тензомост, компаратор, выход которого подключен к диагонали питания тензомоста, и интегратор, выполненный на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, между выходом компаратора и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора включен второй конденсатор, вход интегратора соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора. Преобразователь содержит тензомост, интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, компаратор, выход которого подключен к диагонали питания тензомоста и через конденсатор соединен с инвертирующим входом усилителя, первый вход подключен к выходу интегратора, а второй вход - к одной из вершин измерительной диагонали тензомоста и к неинвертирующему входу усилителя. Другая вершина измерительной диагонали моста подключена к входу интегратора. Выходная частота данного преобразователя определяется по формуле
R
и
23
где ε - относительное изменение сопротивлений тензомоста от воздействия измеряемого давления; R - сопротивление интегратора, которое включает в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии; С - дозирующая емкость.
и
23
R
Как видно из формулы (1), частота выходного сигнала преобразователя определяется сопротивлением интегратора R, включающим в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии, емкостью конденсатора C и относительным изменением сопротивлений тензомоста ε от воздействия измеряемого давления, но не зависит от напряжения питания. Однако формула (1) справедлива для данного устройства в случае, когда рабочая температура тензомоста не претерпевает значительных изменений и преобразователь работает только при разбалансе тензомоста в одну сторону, а при разбалансе в другую сторону, и даже при нулевом разбалансе схема «засыпает», т.е. выходная частота преобразователя равна нулю.
-3
0
В реальных условиях эксплуатации датчиков давления при длительном и непрерывном времени работы и недостаточном отводе тепла рабочая температура тензомоста может изменяться за счет разогрева при протекании тока через тензорезисторы, а также за счет изменения температуры измеряемой среды и тогда сопротивление тензорезисторов, включенных по мостовой схеме, и сопротивление тензометрического моста в целом будут изменяться пропорционально температуре в соответствии со значением температурного коэффициента сопротивления, который, к примеру, для металлопленочных тензорезисторов имеет величину порядка 3*10%/10°С. При этом напряжение разбаланса с выхода измерительной диагонали тензомоста будет равно не εU, а ,
0
где  - относительное изменение сопротивления тензометрического моста при изменении температуры; U - напряжение питания тензомоста.
Тогда формула (1) преобразуется к виду:
Как видно из выражения (2), частота выходного сигнала преобразователя с увеличением температуры будет уменьшаться. Относительная температурная погрешность при этом может достигать 2% и более.
Таким образом, недостатками устройства, содержащего тензорезисторный датчик давления и частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста датчика, являются низкая точность при изменении сопротивлений тензорезисторов с изменением температуры разогрева тензомоста и работа преобразователя только при разбалансе тензомоста в одну сторону, т.е. «засыпание» схемы при разбалансе в другую сторону и при нулевом разбалансе.
Техническим результатом изобретения является повышение точности устройства для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) с частотным выходным сигналом за счет введения дополнительных резисторов, размещенных на периферии мембраны на ее основании, и уменьшения благодаря этому влияния температуры разогрева тензорезисторов (как от температуры измеряемой среды, так и от протекающего через тензорезисторы тока) на выходной сигнал. Кроме того, техническим результатом изобретения является то, что устройство позволяет измерять давления как в положительную, так и в отрицательную сторону (разрежение) за счет введения второго резистора интегратора, обеспечивающего установку начальной частоты выходного сигнала преобразователя при нулевом разбалансе тензомоста датчика. Тем самым расширяются функциональные возможности устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) с частотным выходным сигналом, содержащем тензорезисторный датчик, состоящий из корпуса, установленной в нем НиМЭМС с упругим элементом в виде мембраны с основанием, сформированной на ней гетерогенной структурой из тонких пленок материалов, в которой образованы тензорезисторы, объединенные в тензомост, частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста, содержащий компаратор и интегратор, выполненный на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, между выходом которого и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора включен второй конденсатор, инвертирующий вход операционного усилителя интегратора через первый резистор интегратора соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора, введены два дополнительных резистора, сопротивления которых равны между собой, и второй резистор интегратора, при этом первый дополнительный резистор включен между первой вершиной диагонали питания тензомоста и выходом компаратора, второй дополнительный резистор подключен ко второй вершине диагонали питания тензомоста и соединен с шиной «земля», а второй резистор интегратора подключен между инвертирующим входом операционного усилителя интегратора и шиной «земля». Причем оба дополнительных резистора выполнены из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика давления, и установлены по контуру за периферией мембраны на ее основании.
Устройство для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) с частотным выходным сигналом содержит тензорезисторный датчик давления 1 и частотный преобразователь 2 сигнала с выхода тензомоста.
Тензорезисторный датчик давления 1 (фиг.1) содержит корпус 3 со штуцером 4 (фиг.2), установленную в нем тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) 5, выводные проводники 6, кабельную перемычку 7. Тонкопленочная НиМЭМС 5 представляет собой конструктивно законченный модуль, обеспечивающий высокую технологичность сборки датчика.
Частотный преобразователь 2 (фиг.1) сигнала с выхода тензомоста может быть выполнен в виде микроэлектронного модуля 8 (фиг.2), установленного в корпусе датчика.
На фиг.3 отдельно показана тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) датчика давления 1. Она состоит из упругого элемента - круглой мембраны 9, жестко заделанной по контуру, с периферийным основанием 10 за границей 11 мембраны, гетерогенной структуры 12, контактной колодки 13, герметизирующей втулки 14, соединительных проводников 15, выводных колков 16, диэлектрических втулок 17. Гетерогенная структура 12 из тонких пленок материалов (тонкопленочные диэлектрические, тензопезистивные, контактные и т.п. слои материалов) сформирована на мембране 9 методами нано- и микроэлектронной технологии, в которой образованы тензорезисторы, объединенные в тензомост.
На фиг.4 представлена функциональная электрическая схема устройства для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС). Она включает тензомост 18 тензорезисторного датчика давления 1 (фиг.1) и частотный преобразователь сигнала 2 (фиг.1) с выхода тензомоста датчика.
Частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста 18 датчика давления содержит интегратор 19 (фиг.4), выполненный на операционном усилителе 20 с первым конденсатором 21 в цепи обратной связи, компаратор 22. Выход операционного усилителя 20 подключен к первому входу компаратора 22, между выходом которого и инвертирующим входом операционного усилителя 20 интегратора 19 включен второй конденсатор 23. Инвертирующий вход операционного усилителя интегратора 19 через первый резистор интегратора соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 18, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя 20 интегратора 19 и второму входу компаратора 22. Первый дополнительный резистор 24 включен между первой вершиной диагонали питания тензомоста 18 и выходом компаратора 22, второй дополнительный резистор 25 подключен ко второй вершине диагонали питания тензомоста 18 и соединен с шиной «земля», а второй резистор интегратора 26 подключен между инвертирующим входом операционного усилителя 20 интегратора 19 и шиной «земля». Оба дополнительных резистора 24 и 25 выполнены из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста 18 датчика давления, и установлены по контуру за периферией мембраны на ее основании 10 (фиг.3).
2
Тонкопленочная гетерогенная структура 12 нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) датчика давления (фиг.3) состоит из нано- и микроразмерных слоев, сформированных на металлической мембране 9 (в качестве материала мембраны может быть сталь 36НХТЮ) с высотой микронеровностей не более 50-100 нм (при высоте микронеровностей мембраны более 100 нм становится принципиально невозможным получение устойчивых тонкопленочных структур, а следовательно, и новых качественных показателей, характерных для датчика). Она содержит слой диэлектрика (например, в виде структуры Cr-SiO-SiO, где Сr используется в качестве подслоя толщиной 150 - 300 нм), резистивный слой (например, в виде структуры Х20Н75Ю) толщиной 40…100 нм и слой контактной группы (например, в виде структуры V-Au для формирования контактных площадок, перемычек, проводников). В гетерогенной структуре 12 методами фотолитографии и травления формируют мостовую схему из окружных 27 и радиальных 28 тензорезисторов (фиг.5), выполненных в виде соединенных низкоомными перемычками 29 (из структуры V-Au) и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов 30 (из структуры Х20Н75Ю) толщиной не более 100 нм. Дополнительные резисторы 24 и 25 выполнены из того же материала, что и тензорезисторы (тензоэлементы 30) тензомоста датчика, их сопротивления равны между (по номиналу), могут быть кратными сопротивлению тензомоста, сформированы на основании 10 за границей 11 мембраны (фиг.3) в зоне, не чувствительной к механическим деформациям от давления.
Устройство для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) с частотным выходным сигналом работает следующим образом.
Измеряемое давление Р воздействует на упругий элемент - мембрану тензорезисторного датчика давления 1 (фиг.1), деформация которой с помощью тензорезисторов тензомоста преобразуется в напряжение, подаваемое на вход частотного преобразователя 2 (фиг.1, 4). На выходе частотного преобразователя 2 сигнала с тензомоста генерируется сигнал прямоугольной формы типа «меандр» с частотой, пропорциональной измеряемому давлению. Питание датчика осуществляется от двухполярного источника постоянного напряжения, не требующего стабилизации в силу того, что питание тензомоста 18 (фиг.4) осуществляется напряжением с выхода частотного преобразователя 2, амплитуда которого не влияет на частоту выходного сигнала устройства.
0
0
0
0
В установившемся режиме работы устройства с выхода компаратора 22 преобразователя следуют разнополярные импульсы амплитудой ±U. Пусть в момент времени t произошла смена полярности выходного напряжения с -U на +U. При этом напряжение на выходе интегратора 19 обусловлено положительным "скачком" напряжения с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 18, равным
R
где ε=ΔR/R - относительное изменение сопротивления R тензомоста 18 под действием давления,
и  - коэффициенты, равные отношению сопротивлений 24 и 25 к сопротивлению R тензомоста 18,
и отрицательным "скачком" через конденсатор 23, равным
23
21
cd
где C - емкость конденсатора 23, C - емкость конденсатора 21. Напряжение питания тензомоста U при введенных дополнительных резисторах 24 и 25 будет определяться выражением
где k=1+m+n.
С учетом начальных условий имеем,
Под действием напряжения разбаланса тензомоста 18, равного
и напряжения с резистора 26, равного в силу свойств операционного усилителя 20 интегратора 19
0
1
к
1
0
напряжение на выходе интегратора 19 на интервале от t до t, который равен половине периода (T/2=t-t) колебаний выходного сигнала частотного преобразователя, будет увеличиваться до положительного порогового уровня компаратора 22, равного
1
В момент (t) равенства порога срабатывания и напряжения на выходе интегратора 19 вновь произойдет смена полярности выходного напряжения.
При этом напряжение на выходе интегратора будет равно
и
26
21
к
где R и R - соответственно сопротивления первого и второго резисторов интегратора 19, C - емкость конденсатора 21 в цепи отрицательной обратной связи интегратора 19, T - период колебаний выходного сигнала.
Для момента равенства напряжений на выходе интегратора и порогового уровня компаратора справедливо выражение,
к
Решая выражение (6) относительно периода следования импульсов выходного сигнала T, получим выражение для выходной частоты преобразователя
R
0
23
26
Из выражения (7) видно, что при нулевом разбалансе тензомоста 18(ε=0) и равенстве сопротивлений дополнительных резисторов 24 и 25 (n=m} начальная частота f выходного сигнала преобразователя может задаваться с помощью величин емкости С конденсатора 23 и сопротивления R второго резистора 26 интегратора 20 и равна
R
f
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 (ε=0÷±0,01), и учитывая то, что эта величина значительно меньше единицы, из выражения (7) можно определить девиацию частоты Δ выходного сигнала преобразователя
23
и
которая может задаваться и устанавливаться более точно с помощью величин емкости С конденсатора 23 и сопротивления R первого резистора интегратора 20.
Математическое моделирование устройства с учетом реально возможных значений параметров схемы и заданных диапазонов разбаланса тензомоста, температуры разогрева датчика давления, частоты выходного сигнала, конкретных значений температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов и дополнительного резистора позволило получить графические зависимости выходного сигнала от изменения перечисленных выше параметров и произвести сравнительную оценку заявляемого устройства с прототипом.
R
и
26
23
На фиг.6 показана зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста ε согласно выражению (7) в диапазоне от -0,01 до +0,01 (относительных единиц), без учета влияния температуры, при следующих параметрах схемы: сопротивление тензомоста R=700 Ом, сопротивления интегратора R=52630 Ом и R=1250000 Ом, емкость конденсатора С=20 пФ при отсутствии дополнительных резисторов 24 и 25 (n=m=0).
R
R
R
Из графика фиг.6 видно, что частота ƒ выходного сигнала от разбаланса тензомоста изменяется от 5033 Гц при ε=-0,01 до 15000 Гц при ε=+0,01 и равна 10000 Гц при ε=0, носит линейный характер во всем диапазоне разбаланса (как в отрицательной, так и в положительной области), что может быть использовано в дифференциальных датчиках давления, и по сравнению с прототипом [5], который работает только при одностороннем разбалансе тензомоста, расширяет функциональные возможности устройства (позволяет измерять разрежение).
Введение в схему дополнительных резисторов 24 и 25 уменьшает напряжение питания тензомоста 18, снижает мощность, выделяемую тензорезисторами, и не сказывается на чувствительности устройства, поскольку функция преобразования не зависит от напряжения питания. Снижение мощности, выделяемой тензорезисторами, позволяет снизить температуру разогрева тензорезисторов от протекающего через них тока. При этом снижается энергопотребление датчика давления.
Выражения (7)÷(9) были получены без учета влияния температуры разогрева тензомоста и не учитывают погрешность преобразования, связанную с изменением сопротивлений тензорезисторов и дополнительных резисторов 24 и 25.
С учетом 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 деформациям от измеряемого давления, для выходной частоты преобразователя выражение (7) принимает вид
T
где значения  зависят от относительного изменения сопротивлений тензорезисторов, связанных с изменением температуры тензомоста и величиной температурного коэффициента сопротивления материала тензорезисторов. Поскольку дополнительные резисторы 24 и 25 выполнены из того же материала, что и тензорезисторы, и расположены в непосредственной близости от тензорезисторов за периферией мембраны на ее основании, то они будут претерпевать примерно одинаковые температурные изменения, т.е. с увеличением температуры сопротивление их будет увеличиваться согласно величине температурного коэффициента сопротивления материала (ε), которая меняется от -0,09 до +0,09 при изменении температуры от -150°С до +150°С соответственно.
На фиг.7 показана зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста с учетом влияния температуры при отсутствии в схеме дополнительных резисторов 24 и 25, из которой видно, что в положительной области температур (+150°С) частота выходного сигнала уменьшается в зависимости от увеличения разбаланса тензомоста, а в области отрицательных температур (-150°С) увеличивается. Приведенная относительная погрешность преобразования на краях диапазонов температур и измеряемых давлений составляет от -9,39% до +3,33% для температуры -150°С и от 7,86% до -2,78% для температуры +150°С.
24
25
При включении в схему устройства дополнительных резисторов 24 и 25 с увеличением соотношения m=R/R и n=R/R (m=n=1; 4; и т.д.) и при размещении их на основании мембраны датчика давления происходит уменьшение температурной погрешности преобразования частоты выходного сигнала, как показано на фиг.8-9.
На фиг.10-12 представлены зависимости относительной температурной погрешности на краях температурного диапазона (-150°С и +150°С), где она максимальна, от разбаланса тензомоста при различных значениях n и m, из которых видно, что при отсутствии дополнительных резисторов (фиг.10) температурная погрешность достигает около 10% при разбалансе тензомоста, равном -0,01, и более 3% - при разбалансе +0,01.
24
25
С увеличением величины дополнительных резисторов 24 и 25, например, в четыре раза (R=R=2800 Ом) (фиг.12) температурная погрешность не превышает 1% при разбалансе тензомоста, равном -0,01, и менее 0,34% - при разбалансе +0,01.
Дальнейшее увеличение величины дополнительных резисторов может привести к еще большему уменьшению температурной погрешности, однако технологические ограничения не позволяют в настоящее время выполнить их большие номиналы (одновременно с тензорезисторами).
Таким образом, для заданных значений диапазона измеряемых давлений, температуры разогрева тензомоста, частотного диапазона выходного сигнала устройства путем 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.
Схема принципиальная электрическая устройства была смоделирована с помощью компьютерной программы «Micro-Cap» и представлена на фиг.13. На фиг.14 показаны формы и амплитуды сигналов с выхода компаратора устройства (верхняя диаграмма) и с выхода интегратора (нижняя диаграмма), а также частота выходного сигнала (в правом верхнем углу). Результаты схемотехнического компьютерного моделирования подтвердили справедливость выведенных выражений и результатов математического моделирования.
Таким образом, изобретение позволяет повысить точность измерения давления в широком диапазоне температур измеряемой и окружающей среды, расширить функциональные возможности устройства, снизить энергопотребление датчика давления, при этом уменьшить погрешность от нестабильности источника питания.
Источники информации
1. Васильев В.А. Технологические особенности твердотельных мембранных чувствительных элементов. // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение. -М., 2002. - №4. - С.97-108.
2. Белозубов Е.М. Патент РФ №2031355, 6 G01B 7/16. Способ термокомпенсации тензомоста. Бюл. №8 от 20.03.95.
3. Белозубов Е.М. Патент РФ №1615578, 5 G01L 9/04. Датчик давления. Опубл. 23.12.90. Бюл. №47.
4. Белозубов Е. М., Белозубова Н.Е. Тонкопленочные тензорезисторные датчики давления - изделия нано- и микросистемной техники. // Нано- и микросистемная техника. - М., 2007. - №. 12. - С.49-51.
5. Громков Н.В., Михотин В.Д., Шахов Э.К., Шляндин В.М. А.с. СССР №828406, М. кл. НОЗК 13/20. Опубл. 07.05.81. Бюл. №17.