ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ
SEMICONDUCTOR PRESSURE GAGE WITH FREQUENCY OUTPUT SIGNAL

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в системах измерения, контроля и управления.
Известна конструкция полупроводникового [1, 2] тензорезисторного датчика абсолютного давления. Чувствительный элемент состоит из кристалла, соединенного электростатическим способом со стеклянной шайбой в вакууме, внутри чувствительного элемента между кристаллом и стеклянной шайбой находится вакуумированная полость, обеспечивающая измерение абсолютных давлений. Кристалл выполнен в виде квадрата 4×4 мм (фиг.1), с центральной тонкой частью, обеспечивающей измерение давлений, и представляет собой монокристалл кремния плоскости (100). На рабочей части кристалла методом диффузии сформированы тензорезисторы 1-4, объединенные в мостовую измерительную цепь.
Недостатками известной конструкции датчика являются относительно низкая чувствительность из-за ограниченного напряжения питания тензомоста, связанного с допустимой мощностью рассеивания тензорезисторов при постоянном напряжении питания, и погрешность преобразования, зависящая от нестабильности источника питания мостовой измерительной цепи датчика. Погрешность преобразования от нестабильности источника питания связана с тем, что напряжение с выхода измерительной диагонали тензомоста (единицы милливольт) прямо пропорционально напряжению питания тензомоста.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является преобразователь [3] сигнала разбаланса тензомоста в частоту, функциональная схема которого представлена на фиг.2, содержащий тензометрический мост 5, интегратор 6 на базе операционного усилителя 7 с емкостной отрицательной обратной связью 8, сравнивающее устройство на базе операционного усилителя 9 и дозирующий конденсатор 10. Выходная частота данного преобразователя определяется по формуле
R
11
10
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; C - дозирующая емкость.
11
10
R
Как видно из формулы (1), частота выходного сигнала преобразователя определяется сопротивлением 11 интегратора 6 (R), включающим в себя выходное сопротивление тензомоста и сопротивление кабельной линии, емкостью конденсатора С и относительным изменением сопротивлений тензомоста ε от воздействия измеряемого давления, но не зависит от напряжения питания.
Недостатком известной конструкции является низкая точность из-за недостаточно высокой чувствительности. Кроме того, данная конструкция обладает невысокой надежностью, так, при выходе из строя одного тензорезистора датчик становится неработоспособным.
Техническим результатом изобретения является повышение точности за счет повышения чувствительности при сохранении независимости параметров выходного сигнала от напряжения питания тензомоста. Кроме того, техническим результатом является повышение надежности за счет наличия двух тензометрических мостов, находящихся в зонах одинаковых деформаций и рабочих температур. При выходе из строя тензорезисторов одного из тензомостов датчик полностью не теряет работоспособности и после дополнительной калибровки может выполнять свои функции.
Это достигается тем, что в полупроводниковый датчик давления с частотным выходным сигналом, содержащий датчик, состоящий из корпуса, установленного в нем упругого элемента в виде мембраны, сформированных на ней тензорезисторов в форме меандра, образующих плечи тензомостов, 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, инвертирующий вход операционного усилителя интегратора через второй конденсатор соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста и через первый резистор интегратора с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и ко второму входу компаратора, при этом вторая вершина диагонали питания тензомоста подключена к шине «земля», введены второй резистор интегратора и второй тензомост, первая вершина диагонали питания которого соединена с выходом компаратора, а вторая - с шиной «земля». Второй резистор интегратора включен между одной из вершин измерительной диагонали второго тензомоста и 'инвертирующим входом операционного усилителя интегратора, а другая вершина измерительной диагонали этого тензомоста соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя интегратора, при этом плечи второго тензомоста выполнены также в форме меандра и размещены так, что являются «вставленными» в идентичные им плечи первого тензомоста.
12
15
16
19
На фиг.3 представлен упругий элемент полупроводникового датчика давления с частотным выходным сигналом в виде мембраны, сформированных на ней тензорезисторов в форме меандра, образующих плечи тензомостов. На данной мембране сформированы два тензомоста. В первый входят тензорезисторы R-R, во второй - тензорезисторы R-R.
12
19
На фиг.4 представлена функциональная схема заявляемого датчика давления. Схема состоит из тензорезисторов R-R, объединенных в два тензомоста и частотного преобразователя сигнала с выходов тензомостов.
На фиг.5 представлена функциональная схема заявляемого датчика давления, собранная в программе MicroCap, а также временные диаграммы сигналов частотного преобразователя.
Полупроводниковый датчик давления с частотным выходным сигналом работает следующим образом.
0
1
0
0
21
В установившемся режиме работы устройства с выхода сравнивающего устройства 20 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 обусловлено положительным "скачком" напряжения с одной из вершин измерительных диагоналей тензомоста, равным , где ε=ΔR/R - относительное изменение сопротивления тензомоста, и отрицательным "скачком" через дозирующий конденсатор C, равным
.
С учетом начальных условий имеем
22
где С - значение емкости интегратора.
0
Под действием напряжения разбаланса тензомоста, равного - εU, напряжение на выходе интегратора будет увеличиваться до положительного порогового уровня блока сравнения 20, равного .
В момент равенства порога срабатывания и напряжения на выходе интегратора на базе операционного усилителя 23 вновь произойдет смена полярности выходного напряжения.
При этом напряжение на выходе интегратора будет равно
и1
24
22
и2
25
22
где τ=RC и τ=RC - постоянные времени интегратора.
1
2
24
25
Для момента равенства напряжений на выходе интегратора и порогового уровня СУ справедливо выражение при условии, что ε=ε=ε и R=R:
1
2
где Т - период следования выходного напряжения, ε=ε=ε - относительное изменение сопротивления плеч первого и второго тензомостов.
Из выражения (4) определяем частоту выходного сигнала
Из сравнения выражений (5) и (1) видно, что чувствительность преобразования сигнала с датчика давления за счет введения второго тензомоста и второго резистора интегратора повышается в два раза. При этом происходит усреднение выходных характеристик мостовых измерительных цепей датчика (уменьшается влияние технологического разброса параметров тензорезисторов, усредняется нелинейность, температурная погрешность и т.п.). За счет повышения чувствительности и усреднения характеристик мостовых измерительных цепей повышается точность датчика при сохранении независимости параметров выходного сигнала от напряжения питания тензомоста. Кроме того, повышается надежность за счет наличия двух тензометрических мостов, находящихся в зонах одинаковых деформаций и рабочих температур. Одинаковые деформации и рабочие температуры обоих тензомостов обеспечиваются за счет того, что плечи второго тензомоста выполнены также в форме меандра и размещены так, что являются «вставленными» в идентичные им плечи первого тензомоста.
При выходе из строя тензорезисторов одного из тензомостов датчик полностью не теряет работоспособности и после дополнительной калибровки может выполнять свою основную функцию - измерять давление.
21
22
В предлагаемой конструкции сохраняется независимость параметров выходного сигнала от напряжения питания тензомоста, поскольку в функцию преобразования (5), как для прототипа, не входит напряжение питания. Это осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи частотного преобразователя, в результате которой при изменении амплитуды выходного сигнала преобразователя одновременно изменяются напряжения на выходе интегратора в виде скачка напряжения, пропорционального отношению емкостей С/С, и выходного напряжения с измерительных диагоналей тензомостов, при этом соотношения величин в функции преобразования остаются без изменения и не влияют на выходную частоту преобразователя.
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили преимущества предлагаемого полупроводникового датчика давления с частотным выходным сигналом по сравнению с прототипом.
На фиг.6 представлен график зависимостей выходной частоты от относительного разбаланса тензомоста (ТМ) для схем с одним и с двумя тензомостами, построенный по теоретическим и экспериментальным данным.
Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается точность и надежность датчика.
Источники информации
1. Мокров Е.А., Баринов И.Н., Цибизов П.Н. Полупроводниковые пьезочувствительные элементы микроэлектронных датчиков давлений. // Издательство Пензенского государственного университета - Пенза, 2009 - 104 с.
2. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи // Энергоатомиздат - Москва, 1983 - 136 с.
3. А.с. СССР №828406. Преобразователь сигнала разбаланса тензомоста в частоту / Громков Н.В., Михотин В.Д., Шахов Э.К., Шляндин В.М. // БИ №17 от 7.05.1981 г.