ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ
INTEGRAL GAUGE OF ABSOLUTE PRESSURE

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники.
Известен интегральный датчик избыточного давления [1], содержащий кремниевую подложку, в которой сформирована мембрана, над которой через воздушный зазор расположен верхний электрод (обкладка), нанесенный на пластину, мембрана которого является нижним электродом (обкладкой). Мембрана выполнена с эпитаксиальным слоем фторида кальция и последующим эпитаксиальным слоем кремния, толщина которого определяет зазор между обкладками конденсатора, над которым расположен слой металлизации, являющийся верхним электродом, нанесенным на пластину кремния, присоединенную к эпитаксиальному слою кремния.
Известный датчик имеет низкую точность из-за влияния внешних условий.
Известен также интегральный датчик избыточного давления [2], содержащий генератор напряжения и усилитель, к входу и в цепь обратной связи которого подключены измерительный и эталонный конденсаторы датчика, дополнительно введены три двухпозиционных коммутационных ключа, блоки аддитивной и мультипликативной коррекции, синхронный детектор, делитель частоты, интегрирующий сумматор и ограничитель напряжения, а генератор выполнен в виде управляемого генератора с регулируемой амплитудой, причем выводы измерительного и эталонного конденсаторов датчика подключены соответственно к второму и первому выходам первого коммутационного ключа, соединенного входом с выходом усилителя и входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом второго коммутационного ключа, первый выход которого подключен к входам блока мультипликативной коррекции и блока аддитивной коррекции, а второй выход - к первому входу интегрирующего сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока аддитивной коррекции, выход блока мультипликативной коррекции подключен к управляющему входу генератора с регулируемой амплитудой, выход которого соединен с входом делителя частоты, входом ограничителя напряжения, опорным входом синхронного детектора и вторым входом третьего коммутационного ключа, соединенного по выходу с опорным конденсатором датчика, подключенным к входу усилителя, при этом выход ограничителя напряжения соединен с первым входом третьего коммутационного ключа, выход делителя частоты соединен с управляющими входами первого, второго и третьего коммутационных ключей, а выход интегрирующего сумматора является выходом устройства.
К недостаткам устройства относится нескомпенсированная погрешность нулевого уровня, т.к. имеющийся в известном устройстве блок компенсации аддитивной погрешности не связан со случайной погрешностью.
Наиболее близким к заявляемому устройству является интегральный датчик избыточного давления [3], содержащий проводящую кремниевую мембрану с жестким центром, первую и вторую стеклянные обкладки, соединенные жестко с кремниевой мембраной, в первой стеклянной обкладке имеется приемное отверстие, между первой стеклянной обкладкой и кремниевой мембраной образована входная камера, соединенная приемным отверстием с измеряемым давлением, между второй стеклянной обкладкой и кремниевой мембраной образована вакуумированная камера, на внутренней поверхности второй стеклянной обкладки нанесены первый и второй неподвижные проводящие электроды, первый электрод размещен против подвижного жесткого центра на кремниевой мембране, второй электрод размещен против недеформируемой части на кремниевой мембране, первый и второй неподвижные проводящие электроды подключены к входам электронного блока.
Недостатком известного устройства является чувствительность датчика давлений к линейным ускорениям, поскольку масса жесткого центра преобразователя перемещений одновременно работает в составе с упругой мембраной, как акселерометр. При этом в результаты измерений давления вносится неустранимая в известном устройстве погрешность.
Решаемая задача - устранение погрешностей измерений.
Технический результат - исключение влияния линейных ускорений на чувствительность датчика.
Этот технический результат достигается тем, что в интегральном датчике абсолютного давления, содержащем проводящую кремниевую мембрану с жестким центром, первую и вторую стеклянные обкладки, соединенные жестко с кремниевой мембраной, в первой стеклянной обкладке имеется приемное отверстие, между первой стеклянной обкладкой и кремниевой мембраной образована входная камера, между второй стеклянной обкладкой и кремниевой мембраной образована вакуумированная камера, на внутренней поверхности второй стеклянной обкладки нанесены первый и второй неподвижные проводящие электроды, первый электрод размещен против подвижного жесткого центра на кремниевой мембране, второй электрод размещен против недеформируемой части на кремниевой мембране, первый и второй неподвижные проводящие электроды подключены к входам электронного блока, в жестком центре кремниевой мембраны со стороны входной камеры вытравлено углубление в виде усеченной пирамиды, боковые стенки которой параллельны боковым стенкам жесткого центра, толщина перегородки, образованной боковыми стенками усеченной пирамиды и жесткого центра, выполнена равной толщине гибкой части кремниевой мембраны; электронный блок выполнен в виде широтно-импульсного преобразователя, в котором первый и второй неподвижные проводящие электроды включены последовательно с первым и вторым резисторами и совместно образуют времязадающие цепочки симметричного мультивибратора на R-S триггере, центральный электрод емкостей, которым является жесткий центр кремниевой мембраны, заземлен, параллельно емкостям включены первый и второй ключи, управляющие входы которых перекрестно соединены с первым и вторым выходами R-S триггера.
Технический результат достигается за счет снижения массы жесткого центра. Широтно-импульсный преобразователь обеспечивает режим стыковки датчика с микроконтроллерами.
На фиг.1 приведен продольный разрез заявляемого устройства, а на фиг.2 - электрическая схема устройства.
К первой стеклянной обкладке 1 приварена молекулярной сваркой кремниевая мембрана 2. К кремниевой мембране 2 приварена молекулярной сваркой вторая стеклянная обкладка 3. В кремниевой мембране 2 выполнена гибкая часть 4 и жесткий центр 5, являющийся одновременно подвижным электродом емкостного датчика перемещений. Между кремниевой мембраной 2 и первой стеклянной обкладкой 1, имеющей приемное отверстие, образована входная камера 6 для приема измеряемых давлений. На второй стеклянной обкладке 3 нанесены первый 7 и второй 8 неподвижные проводящие электроды емкостного преобразователя перемещений. Между кремниевой мембраной 2 и второй стеклянной обкладкой 3 образована герметичная вакуумированная камера 9, внутри которой размещены все электроды: подвижный 5 и неподвижные 7, 8. Недеформируемая часть 10 на кремниевой мембране 2 предназначена для выполнения компенсационной емкости между ней и электродом 8. Площади электродов 7 и 8 выполнены равными, что необходимо для балансировки емкостного датчика перемещений в нейтральном состоянии. Снижение погрешности от действия линейных ускорений абсолютного давления достигнуто снижением массы жесткого центра, для чего в нем со стороны входной камеры 6 вытравлено углубление 11 в виде усеченной пирамиды. Для снижения жесткости гибкой части 4 мембраны боковые стенки усеченной пирамиды выполнены параллельными боковым стенкам жесткого центра, а толщина образованной перегородки равна толщине гибкой части кремниевой мембраны. Перегородки являются дополнением к гибкой части мембраны, при этом снижается ее общая жесткость.
На фиг.2 приведена электрическая схема датчика.
Электронный блок выполнен в виде широтно-импульсного преобразователя, в котором первый и второй неподвижные проводящие электроды включены последовательно с первым и вторым резисторами и совместно представляют времязадающие цепочки симметричного мультивибратора на R-S триггере. Центральным электродом емкостей является жесткий центр 5 кремниевой мембраны, который заземлен.
Схема включает в свой состав первый 12 и второй 13 ключи, соединенные параллельно с первой 14 и второй 15 измерительными емкостями. Первая 14 и вторая 15 измерительные емкости соединены последовательно с первым 16 и вторым 17 резисторами, а точки их соединений одновременно соединены со входами R и S R-S триггера 18. Вторыми концами резисторы 16 и 17 соединены с первым и вторым выходами R-S триггера. Управляющие входы первого 12 и второго 13 ключей перекрестно соединены с первым и вторым выходами R-S триггера 18.
Предложенный датчик работает следующим образом. Перемещение жесткого центра мембраны прямо пропорционально действующей сумме сил от абсолютного давления и от инерции:
а
где G - жесткость деформируемой части мембраны; Δх - перемещение жесткого центра мембраны; р - абсолютное давление; S - площадь мембраны; m - масса жесткого центра мембраны; j - ускорение, действующее на жесткий центр.
а
Пусть датчик абсолютного давления применяется на подвижном объекте. Из (1) видно, что измерение перемещения Δх, соответственно абсолютного давления р, всегда осуществляется с ошибкой, привносимой ускорением. Причем чем больше масса жесткого центра мембраны, тем больше ошибка. С целью снижения ошибки в заявляемом изобретении снижена масса жесткого центра мембраны посредством выполнения в нем со стороны входной камеры углубления 11 в виде усеченной пирамиды:
угл
где m - масса, удаленная из углубления жесткого центра мембраны.
Величина этой массы может достигать до 70% от массы жесткого центра. Формула (2) показывает, что цель изобретения по первому пункту достигнута.
Работа датчика абсолютного давления в режиме широтно-импульсной модуляции осуществляется следующим образом. Первая 14 и вторая 15 измерительные емкости включены последовательно с первым 16 и вторым 17 резисторами и представляют времязадающие цепочки симметричного мультивибратора на R-S триггере 18. Посредством первого 12 и второго 13 ключей, управляемых перекрестно сигналами с выходов R-S триггера 18, осуществляется заряд-разряд измерительных емкостей 14 и 15. Первая емкость 14 является переменной и зависит от действующего абсолютного давления, вторая емкость 15 является постоянной и выполняет функции температурной компенсации. Длительность импульса τ на прямом выходе R-S триггера является функционально зависимой от величины первой емкости 14, соответственно зависит от действующего абсолютного давления. Выход R-S триггера, например на КМОП-структурах, непосредственно стыкуется со входами микроконтроллеров. Масштабирование сигнала и преобразование его к стандартному виду осуществляется программно.
Отмечая приведенные обоснования, можно заключить, что технический результат изобретения полностью достигнут.
Источники информации
1. Величко А.А., Илюшин В.А., Филимонова Н.И. Патент РФ №2251087 Емкостной датчик давления МПК G01L 9/12 27.04.2005.
2. Белозубов Е.М., Маланин В.П. Устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления. Патент РФ №2053490, G01L 9/12, 27.01.1996.
3. Вавилов В.Д. Исследования интегральных датчиков давлений. Нижегородский государственный технический университет. Нижний Новгород, 2006. 32 с.