Современные направления развития преобразователей давления с частотным выходным сигналом

20

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

УДК 621.3.032

В. С. Волков, Д. А. Кудрявцева, И. Р. Вергазов

СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ

V. S. Volkov, D. A. Kudryavtseva, I. R. Vergazov

THE MODERN TRENDS OF PRESSURE TRANSDUCERS WITH FREQUENCY OUTPUT

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 микромеханических резонаторов. Проанализированы недостатки существующей конструкции резонансного преобразователя давления. Рассмотрена усовершенствованная конструкция резонансного преобразователя давления с высокой стабильностью характеристик и повышенной чувствительностью. Показана возможность снижения температурной погрешности датчика давления за счет применения частотного преобразователя сигнала мостовой измерительной схемы.

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. The disadvantages of existing resonant pressure transducer are analyzed and advanced design of resonant pressure transducer with high stability and increased sensitivity is analyzed. The decreasing of pressure sensor temperature error based on frequency transducer of bridge circuit is shown.

Ключевые слова: МЭМС-технология, датчик давления, кремниевый резонансный преобразователь, тензорезистор, обратная связь, сила Лоренца.

Key words: MEMS technology, pressure sensor, silicone resonant transducer, strain gauge, feedback, temperature error, frequency output signal.

Введение

В современной измерительной технике интенсивно применяются измерительные преобразователи, основанные на применении МЭМС-технологий. Широкое применение в информационно-измерительных системах получили преобразователи параметров датчиков в частоту. Интерес к данным измерительным преобразователям обусловлен рядом достоинств частотного представления информации. Во-первых, при использовании частотных преобразователей открывается возможность достижения более высокой точности измерения, чем в преобразователях амплитуд сигналов. Во-вторых, частотный сигнал обладает значительно более высокой помехоустойчивостью и малой чувствительностью к изменению параметров линий связи. В-третьих, обработка частотных сигналов и их точное интегрирование по времени выполняются достаточно просто. Одним из наиболее перспективных направлений создания частотных преобразователей параметров датчиков резистивного типа является построение их на основе

2014,. № 4

метода интегрирующего развертывающего преобразования. Достоинствами таких преобразователей являются широкие функциональные возможности, помехоустойчивость, относительная простота реализации и настройки схем, технологичность [1].

Применяемые в большинстве современных датчиков давления емкостный и тензорези-стивный 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 [2-5]. Стабильность и устойчивость к перегрузкам для чувствительных элементов датчиков ограничивают такие факторы, как остаточная деформация и механическая усталость центральной мембраны (для емкостного принципа преобразования), нестабильность подложки и дрейф сопротивления тен-зорезистивных слоев (для тензорезистивного принципа преобразования) [6-7].

Целью данной статьи являются рассмотрение и анализ существующих конструкций преобразователей давления с улучшенными характеристиками для систем управления и контроля.

Базовые конструкции преобразователей давления с частотным выходным сигналом

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 [8, 9].

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 [7].

При использовании кремниевого резонатора собственную частоту колебаний определяют всего два параметра: масса и геометрические размеры резонансного элемента. Масса резонатора неизменна, геометрические размеры и форма жестко зафиксированы кристаллической решеткой. Это позволяет гарантировать стабильность во всем диапазоне рабочих условий без ограничения, включая перегрузки по давлению.

Устойчивость к внешним воздействиям (температура и статическое давление) для традиционных чувствительных элементов ограничивается дрейфом нуля из-за перекоса подвижной обкладки (для емкостного принципа преобразования) и существенной зависимости сопротивления полупроводниковых тензорезистивных пленок от температуры (для тензорезистивного принципа преобразования) [10, 11].

Для увеличения чувствительности преобразования параметры конструкции выбирают таким образом, чтобы частота вынужденных колебаний по координате возбуждения совпадала с частотой собственных колебаний. Для этого используют высокодобротные материалы, обладающие низкими внутренними потерями на трение, что позволяет осуществить динамическую настройку прибора и обеспечить резонансное усиление сигнала. Одним из основных способов уменьшения трения и, соответственно, увеличения добротности устройств является вакуумирование рабочего объема резонатора.

Самыми простыми и наиболее распространенными структурами резонаторов являются консоль, мост и диафрагма (рис. 1).

Консольная балка

Мост

Диафрагма

Рис. 1. Наиболее распространенные конструкции резонаторов

22

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

МЭМС-резонаторы используются в различных датчиках, например, таких как миниатюрные датчики угловой скорости (микрогироскопы), прецизионные датчики давления, микромеханические радиочастотные фильтры и др.

При использовании кремниевого резонатора геометрические размеры на 4-5 порядков менее подвержены влиянию температуры и статического давления, чем электрические характеристики (емкость, сопротивление); в измерительном преобразователе могут использоваться два идентичных резонатора, расположенных так, что они по-разному реагируют на изменение перепада давления, что позволяет разделить «полезный» и паразитные вклады в сигнал (разница частот резонаторов пропорциональна перепаду давления, а сумма частот - статическому давлению с поправкой по температуре). Это позволяет реализовать компенсацию дополнительной погрешности выходного сигнала.

Применение кремниевого резонатора позволяет обойтись без промежуточного аналогоцифрового 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 информационноизмерительных системах на основе подобных датчиков и повысить надежность [12].

В конструктивном отношении резонансные измерительные преобразователи давления могут быть разделены на две группы:

1) в которых резонатор работает в прямом контакте со средой;

2) в которых резонатор отделен от среды разделительным (упругим) элементом.

Большинство резонансных датчиков давления строится с использованием разделительных упругих элементов. Разделительные элементы обеспечивают оптимальные условия работы резонаторов, делают возможной вакуумизацию или герметизацию рабочей пластины, что повышает добротность и снижает старение резонатора. Стабильная работа резонатора обеспечивается только в вакууме или герметизированном объеме, заполненном инертным газом (гелием).

В конце 80-х гг. японская компания Yokogawa реализовала принципиально новый частотно-резонансный сенсор, названный dpharp (differential pressure high accuracy resonant pressure sensor) [13-15].

Конструкция чувствительного элемента выполнена в размерах десятков микрон в виде единого монокристалла кремния. В качестве упругого элемента используется кремниевая диафрагма, на которой расположены два чувствительных элемента. Чувствительные элементы-резонаторы расположены так, что их деформации отличаются по знаку при приложении разности давлений к мембране (рис. 2). Изменение собственной частоты резонаторов прямо пропорционально прилагаемому давлению.

Рис. 2. Размещение резонаторов на кристалле с мембраной

Технология формирования резонаторов в вакуумированной капсуле использует ряд последовательно выполняемых процессов эпитаксиального выращивания и селективного травления. В результате такого подхода вакуумированная капсула имеет минимальный объем. Вы-

23

сокии уровень вакуума в капсуле достигается за счет высокотемпературного отжига в среде чистого азота, который приводит к диффузии водорода и остаточных газов из капсулы. В результате давление в герметизированной полости составляет менее 0,133 Па, обеспечивая добротность резонатора более 50 000 [14].

Возбуждение колебаний и преобразование частоты механических колебаний в электрический сигнал происходят путем помещения двухконтурных резонаторов в постоянное магнитное поле и пропусканием переменного электрического тока через тело резонатора в контуре возбуждения. Конструкция кристалла чувствительного элемента кремниевого резонансного датчика давления представлена на рис. 3.

Давление

Рис. 3. Конструкция кристалла чувствительного элемента кремниевого резонансного датчика давления

Принцип работы преобразователя давления заключается в следующем. Резонатор размещен на мембране, вытравленной в кремниевой подложке с помощью жидкостного анизотропного травления кремния. Для повышения добротности колебаний и увеличения уровня выходного сигнала балка резонатора помещена в вакуумированную полость. В зависимости от знака приложенного давления мембрана деформируется, резонатор растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле передаются на вторую балку, при этом вследствие эффекта электромагнитной индукции в измерительном контуре возникает переменная ЭДС с частотой, равной частоте колебаний резонатора измерительного контура, которая усиливается и возвращается обратно на вход схемы, что приводит к саморезонансу (автоколебаниям) системы (рис. 4). Обратная связь контура возбуждения по измерительному контуру вместе с эффектом сдвига частоты вынужденных колебаний в сторону резонансной частоты обеспечивают постоянное соответствие частоты электрических колебаний резонансной (собственной) частоте механических колебаний тела резонатора. Собственная частота такого ненагруженного резонатора составляет около 90 кГц, при этом на выходе чувствительного элемента получается цифровой (частотный) сигнал, пропорциональный величине измеряемого давления [14].

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Рис. 4. Принцип работы резонансного преобразователя фирмы Yokogawa

24

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Недостатком резонансного преобразователя фирмы Yokogawa является низкая чувствительность, обусловленная тем, что сила Лоренца, возникающая только в одной из балок, обеспечивает колебание не только балки, по которой протекает переменный ток, но и второй балки, соединенной с первой балкой перемычкой и которая должна индуцировать возникающий во второй балке переменный ток в измерительную схему [9]. Таким образом, индуцированная электромагнитная сила выполняет работу по возбуждению колебаний в двух балках одновременно, что требует увеличения протекающего через первую колебательную балку переменного тока, что снижает чувствительность преобразования при заданном значении потребляемой мощности.

Усовершенствованные конструкции преобразователей давления с частотным выходным сигналом

На рис. 5 представлена усовершенствованная конструкция резонансного преобразователя давления, содержащего кремниевую мембрану, предназначенную для измерения давления, с расположенным на ней кремниевым резонатором, два постоянных магнита, обеспечивающих действие магнитного поля в плоскости резонатора в направлении, перпендикулярном к продольной оси резонатора. Резонатор выполнен в виде рамки, внутри которой на перемычках подвешена плоско-параллельная пластина с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой, которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен тензорезистор, обеспечивающий восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины [9, 16].

Рис. 5. Конструкция резонансного преобразователя давления: 1 - кремниевая мембрана; 2 - кремниевый резонатор

На рис. 6 изображен кремниевый резонатор.

Рис. 6. Конструкция кремниевого резонатора

25

Конструкция содержит два постоянных магнита 3, обеспечивающих действие магнитного поля в плоскости резонатора 2 в направлении, перпендикулярном к его оси. Резонатор 2 выполнен в виде рамки, внутри которой на перемычках 4, 5 подвешена плоско-параллельная пластина 6 с напыленной на ее поверхности по периметру проводящей дорожкой 7, которая проходит через одну из перемычек, а на другой перемычке расположен тензорезистор 8, обеспечивающий восприятие деформации перемычки при колебаниях пластины 6 [9, 16].

Принцип работы преобразователя заключается в следующем. Измеряемое давление, воздействуя на плоско-параллельную пластину, изменяет резонасную частоту ее колебаний, вызываемых силами Лоренца, воздействующими на противоположные стороны плоскопараллельной пластины, со стороны постоянного магнита при пропускании через проводящую дорожку переменного тока, что в свою очередь вызывает изменение частоты колебаний перемычки с расположенным на ней тензорезистором, частота выходного напряжения на котором пропорциональна изменению измеряемого давления.

Кроме того, современные достижения в области создания средств измерений позволяют совмещать традиционные резистивные измерительные преобразователи и схемы преобразования измеряемой величины в частоту. Измерительный преобразователь с частотным выходным сигналом представлен на рис. 7. Он представляет собой устройство для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом, состоящей из тензомоста датчика давления и частотного преобразователя сигнала с выхода тензо-моста датчика [8].

Рис. 7. Функциональная схема устройства для измерения давления

Частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста 18 датчика давления содержит интегратор 19, 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 тензорезисто-ры тензомоста 18 датчика давления, и установлены по контуру за периферией мембраны на ее основании [17].

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 (sR = 0 + ±0,01). Учитывая то, что эта величина значительно меньше единицы, девиация частоты А/ выходного сигнала преобразователя будет определяться выражением

А/ =

±£R

2(1 + 2m)C2R ’

где С23 - емкость конденсатора 23; RH - сопротивление резистора интегратора.

Зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста sR согласно выражению (1) в диапазоне от - 0,01 до + 0,01 (относительных единиц), без учета влияния температуры, при следующих параметрах схемы: сопротивление тензомоста R = 700 Ом, сопротив-

26

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

ления интегратора Яи = 52 630 Ом и R26 = 1250 000 Ом, емкость конденсатора С23 = 20 пФ при отсутствии дополнительных резисторов 24 и 25 (n = m = 0), - носит линейный характер во всем диапазоне разбаланса (как в отрицательной, так и в положительной областях), частота f выходного сигнала от разбаланса тензомоста изменяется от 5033 Гц при є R = -0,01 до 15 000 Гц при sR = +0,01 и равна 10 000 Гц при єR = 0 [17].

С учетом влияния температуры, при которой будут изменяться сопротивления плечей 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 частота выходного сигнала будет определяться выражением

f

1

2(1 - sRT + 2mT )С

23

°RT

R„

-RT

-2nT)

2R

26

где sR = AR/R - относительное изменение сопротивления R тензомоста 18 под действием дав-

R24 R25

ления; m = —24 и n = —24 RR

коэффициенты, равные отношению сопротивлений 24 и 25 к со-

противлению R тензомоста 18; С23 и С2і - емкости конденсаторов 23 и 21; RH - сопротивление

n m s

резистора интегратора; значения nT =------, mT =------, sRT =------ зависят от относитель-

1 + st 1 + st 1 + st

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

На рис. 8 показаны зависимости выходной частоты преобразователя 2 от температуры и от соотношения резисторов 24 и 25 (n и m) при разбалансе тензомоста +0,01.

Зависимость Febix от температуры, от п и m при разбалансе тензомоста = 0,01

15600 15400 15200 £ 15000 § 14800

£ 14600

14400

14200

14000

іаиии -150 -100 -50 0 SO 100 150

♦ n=m~0 15500 15322 15156 15000 14853 14714 14583

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

—*—n=m=4 15051 15034 15017 15000 14983 14967 14950

Рис. 8. Зависимость выходной частоты преобразователя от температуры и соотношения резисторов 24 и 25

При включении в схему устройства резисторов 24 и 25 с увеличением 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 = 2800 Ом), температурная погрешность не превышает 10,34 % при разбалансе +0,01 [17].

27

Заключение

Конструкция резонансного преобразователя давления, при которой проводящая дорожка расположена по периметру плоско-параллельной пластины таким образом, что возникающие две противоположно направленные силы Лоренца создают вращающий момент, обеспечивающий колебания плоско-параллельной пластины, позволяет вдвое повысить чувствительность преобразования за счет увеличения амплитуды колебаний плоско-параллельной пластины при одинаковом заданном значении потребляемой мощности и сохранении высокой временной стабильности характеристик. Конструкция частотного преобразователя сигнала тензомоста за счет правильного подбора параметров элементов схемы позволяет значительно уменьшить дополнительную температурную погрешность датчика давления. Рассмотренные конструкции преобразователей позволяют создавать датчики для систем контроля и управления с высокой чувствительностью и сниженной дополнительной погрешностью от внешних влияющих факторов при одновременной миниатюризации и снижении потребляемой мощности.

Список литературы

1. Громков, Н. В. Интегрирующие развертывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления : моногр. / Н. В. Громков. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. - 244 с.

2. Баринов, И. Н. Высокотемпературные полупроводниковые датчики давления с повышенной временной стабильностью / И. Н. Баринов, В. С. Волков // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2011. - № 8. - С. 51-55.

3. Гурин, С. А. Особенности технологии получения структуры «нитрид алюминия на карбиде кремния» для чувствительного элемента / С. А. Гурин, Р. М. Печерская // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. -№ 1. - С. 46-53.

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

5. Баринов, И. Н. Повышение долговременной стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений / И. Н. Баринов, В. С. Волков // Приборы. -2010. - № 3. - С. 9-15.

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

7. Мокров, Е. А. Полупроводниковые пьезочувствительные элементы микроэлектронных датчиков давлений. Основы проектирования и разработки : учеб. пособие / Е. А. Мокров, И. Н. Баринов, П. Н. Цибизов. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. - 104 с.

8. Greenwood, J. C. Etched Silicon Vibrating Sensor / J. C. Greenwood // J. Phy. E. Sci. Instrum. - 1984. - Vol. 17. - P. 650-652.

9. Волков, В. С. Полупроводниковые датчики давления на основе резонансного преобразователя / В. С. Волков, И. Н. Баринов // Приборы. - 2012. - № 7. - С. 9-13.

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

11. Волков, В. С. Автоматизация разработки диагностического обеспечения интеллектуальных полупроводниковых датчиков давления / В. С. Волков, И. Н. Баринов // Приборы. - 2009. - № 12. - С. 20-25.

12. Фандеев, В. П. Модели, методы и алгоритмы оптимизации диагностирования приборов : учеб. пособие / В. П. Фандеев, В. С. Волков. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2007. - 76 с.

13. US patent 6,082,199. - URL: http://www.yokogawa.ru.

14. Silicon Pressure Sensor Integrates Resonant Strain Gauge on Diaphragm / K. Ikeda et al. // Sensors and Actuators. - 1990. - Vol. A21-23. - P. 146-150.

15. Various Applications of Resonant Pressure Sensor Chip Based on 3-D Micromachining / K. Harada et al. // Sensors and Actuators. - 1999. - Vol. A73. - P. 261-266.

16. Пат. 2341815 Российская Федерация. Резонансный преобразователь давления / Баринов Н. И., Баринов И. Н. - 02.06.2010.

17. Заявка на изобретение 2009133752. Устройство для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом / Васильев В. А., Громков Н. В. - 08.09.2009.

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Волков Вадим Сергеевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра приборостроения,

Пензенский государственный университет E-mail: distorsion@rambler.ru

Кудрявцева Дарья Александровна

аспирант,

Пензенский государственный университет E-mail: mzungu@inbox.ru

Вергазов Ильяс Рашитович

ведущий инженер-технолог, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: mzungu@inbox.ru

Volkov Vadim Sergeevich

candidate oftechnical sciences, associate professor, sub-department ofinstrument making,

Penza State University

Kudryavtseva Daria Aleksandrovna

postgraduate student,

Penza State University

Vergazov Ilyas Rashitovich

chief engineer,

Scientific-research Institute of physical measurement

УДК 621.3.032 Волков, В. С.

Современные направления развития преобразователей давления с частотным выходным сигналом / В. С. Волков, Д. А. Кудрявцева, И. Р. Вергазов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 4 (10). - С. 20-28.