Датчики давления с частотным выходным сигналом на основе нано и микроэлектромеханических систем с уменьшенным влиянием температуры

Белозубов Е.М, , Васильев В.А., Вергазов И.Р. , Громков Н.В. , Москалёв С.А. ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ НА ОСНОВЕ НАНО - И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УМЕНЬШЕННЫМ ВЛИЯНИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ

Развитие измерительных систем контроля и управления характеризуется широким использованием датчиков, преобразующих различные физические величины в удобные для последующей обработки и передачи на значительные расстояния электрические сигналы. Датчики являются первичным звеном любой информационно-измерительной системы и в значительной степени определяют её надёжность, качество и метроло-гические характеристики [1, 2]. Среди большого многообразия выпускаемых датчиков датчики

резистивного типа (тензорезисторные, терморезисторные, пьезорезисторные и т.п.) занимают особое место в силу своей многофункциональности при измерении давлений, температур, механических деформаций и перемещений, ускорений и др., а также простоты схемной реализации измерительной цепи (ИЦ), высокой технологичности, надёжности и возможности адаптации с преобразователями аналоговых сигналов в частоту, код, цифру. В датчиках резистивного типа используются законы преобразования различных физических величин в изменение электрического сопротивления. Выходной сигнал ИЦ современных датчиков резистивного типа, как правило, пропорционален изменению сопротивления или относительному изменению сопротивлений для измерительных цепей, собранных по мостовой схеме, и может быть в виде постоянного или переменного напряжения, тока.

Основные трудности при разработке информационно-измерительных систем с датчиками резистивного типа связаны с малыми приращениями информативного сигнала с выхода ИЦ первичных преобразователей (как правило, единицы милливольт, поскольку допустимая рассеиваемая мощность на резистивных элементах датчиков ограничена) на фоне больших помех, возникающих в тракте передачи сигнала к устройствам преобразования и обработки, которые могут во много раз превышать уровень полезного сигнала, а также с погрешностями от влияния неинформативных параметров. Так, например, при измерении давления неинформативным параметром является температура измеряемой и окружающей сред, а при измерении температуры - давление, влажность и т.п.

Для работы с датчиками резистивного типа широкое применение в информационно-измерительных системах получили промежуточные 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 метода интегрирующего развертывающего преобразования [3]. Достоинствами таких преобразователей являются широкие функциональные возможности, помехоустойчивость, относительная простота реализации и настройки схем, технологичность.

Частотные интегрирующие развертывающие преобразователи (ЧИРП) параметров датчиков резистивного типа образуют представительную группу высокоточных средств измерений и широко используются на практике.

Результаты работы многих коллективов по разработке датчиков резистивного типа позволили значительно уменьшить погрешность преобразования первичных датчиков физических величин путём использования конструктивно-технологических, схемотехнических, методологических и других решений [4], однако многие задачи уменьшения погрешностей и устранения влияния дестабилизирующих факторов остаются не решёнными и требуют дальнейших исследований.

Разработчики вторичных преобразователей сигналов с датчиков в унифицированные частотновременные сигналы добились высоких результатов при разработке схем преобразователей сигналов с датчиков резистивного типа, но при этом не всегда учитываются изменения параметров выходных сигналов с первичных датчиков от воздействия дестабилизирующих факторов. Требуется комплексное исследование проблемы уменьшения температурных погрешностей первичных и вторичных измерительных преобразователей, как составной части информационно-измерительной и управляющей системы.

Развитие таких отраслей промышленности, как приборостроение, космонавтика, авиастроение, автомобилестроение и др. требуют создания современных микроэлектронных датчиков резистивного типа высокой надёжности, точности, с низким энергопотреблением и работающих в экстремальных условиях воздействия широкого диапазона температур.

Значительное место среди микроэлектронных датчиков в информационно-измерительных и управляющих системах занимают датчики давления, производство которых неуклонно растёт из года в год. Для производства микроэлектронных датчиков давления широкое распространение в мире получили технологии: пьезорезистивная технология, тонкоплёночная технология на керамике, NiCr-тонкоплёночная технология на стали, Poli-Silicon-тонкоплёночная технология на стали. Наилучшей с точки зрения долговременной стабильности является NiCr-тонкоплёночная технология на стали. Там, где требуются высокоточные и высокостабильные измерения, а это в ракетной и авиационной технике, используют датчики давления на основе тонкоплёночных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС), созданные с применением NiCr-тонкоплёночной технологии на стали.

Основой тонкоплёночных датчиков давления являются нано- и микроэлектромеханические системы (НиМЭМС), которые обычно состоят из упругого элемента простой (мембрана, стержень, балка и т.п.) или сложной формы (две мембраны, соединённые между собой штоком; мембрана, соединённая со стержнем; балка с отверстиями и прорезями и т.п.), гетерогенной структуры, герметизирующей контактной колодки, соединительных проводников [5,6]. Гетерогенная структура представляет собой сформированные на поверхности упругого элемента тонкоплёночные диэлектрические, тензорезистивные, терморезистивные, контактные и т. п. нано- и микроразмерные слои материалов, соединённые между собой определённым образом.

В области разработки, производства тонкоплёночных НиМЭМС и датчиков давления на их основе с использованием NiCr-тонкоплёночной технологии на стали лидируют фирмы США, Японии, Германии, Швейцарии, Великобритании, Франции: «OMEGA», (датчики давления серии РХ), «Nagano Keiki», «ADZ Nagano»

(датчики давления серий SML, SMK), «Trafag AG» (датчики давления серий NAT, NAH, NAE, CMP, NSL, 88), «Bell & Howell», «Setra Sistem», «METALLUX» (датчики серии SPS), «Gefran» (датчики серии MJ), «Wika», «GFS», «Datametrics», «Siemens AG» (датчики серии ZD) , «Endress & Hauser», «Rosemount», «Boeinq Co», «Meclec Co», «Fischer&Porter».

В России датчики давления на основе тонкоплёночных НиМЭМС разрабатывают и серийно изготавливают ОАО «НИИ физических измерений» (тонкоплёночные датчики давления серий Вт, ДДВ, ДСЕ), ОАО "Эн-гельское ОКБ "Сигнал" им. А.И. Глухарева (тонкоплёночные емкостные датчики давления серий ДАЕ,

ДАТ, ДИД), ОАО «НПП «Темп» им. Ф. Короткова», ООО «Сенсор» (тонкоплёночные тензорезисторные датчики давления серии РПГ), НПП «Элемер» (тонкоплёночные датчики давления серии АИР с использованием элементов фирмы «Rosemount»).

Создание микроэлектронных датчиков резистивного типа с частотным преобразованием сигнала весьма актуально, так как частотное преобразование позволяет уменьшить погрешность преобразования, снизить энергопотребление, унифицировать аппаратуру обработки информации и повысить надежность измерительных систем.

Существуют различные способы уменьшения температурной погрешности как первичных датчиков давления 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. Во вторичных преобразователях, как правило, это удаётся осуществить за счёт схемотехнических решений.

Наилучший эффект уменьшенного влияния температуры на погрешность измерения достигается при разработке датчиков давления на основе системного подхода [7] с учётом сопряжения нано- и микро-электромеханической системы с частотными интегрирующими развёртывающими преобразователями. При этом возможно уменьшение температурной погрешности устройства для измерения давления как за счёт оригинальной топологии гетерогенной структуры НиМЭМС и схемотехнического решения частотного преобразователя, так и за счёт введения дополнительных резистивных элементов в схему преобразователя и различных вариантов размещения их в непосредственной близости от тензо-резисторных элементов датчика давления.

Примером для рассмотрения может служить устройство [8] для измерения давления на основе нано-и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом, представленная на рис. 1.

Рис.1. Функциональная схема устройства для измерения давления

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 (рис. 1), выполненный на операционном усилителе 2 0 и компаратор - на операционном усилителе

2 2, а также конденсаторы 21 и 23 в цепи отрицательной обратной связи и резисторы 24, 25 и 26. При этом резисторы 2 4 и 2 5 выполнены из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста 18 датчика давления, и установлены по контуру за периферией мембраны на её основании.

На рис. 2 представлена нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) датчика давления,

а на рис. 3 - тонкоплёночная гетерогенная структура НиМЭМС.

Рис.2. НиМЭМС датчика давления

Рис. 3. Гетерогенная структура НиМЭМС

Тонкоплёночная гетерогенная структура 12 нано- и микроэлектро-механической системы (НиМЭМС) датчика давления (рис. 3) состоит из нано- и микроразмерных слоёв, сформированных на металлической мембране 9 (в качестве материала мембраны может быть сталь 3 6НХТЮ) с высотой микронеровностей не более 50 - 100 нм (при высоте микронеров-ностей мембраны более 10 0 нм становится принципиально невозможным получение устойчивых тонкоплёночных структур, а, следовательно, и новых качественных показателей, характерных для датчика). Она содержит слой диэлектрика (например, в виде структуры ^^^^^2, где ^ используется в качестве подслоя толщиной 150 - 3 00 нм) , резистивный слой (например, в виде структуры Х2 0Н7 5Ю, толщиной 4 0...100 нм) и слой контактной группы (например, в виде структуры V-Au для формирования контактных площадок, перемычек, проводников). В

гетерогенной структуре 12 методами фотолито-графии и травления формируют мостовую схему из окружных 27 и радиаль-ных 2 8 тензорезисторов (рис. 3), выполненных в виде соединённых низкоом-ными пере-

мычками 2 9 (из структуры У-Ди) и равномерно размещённых по периферии мембраны идентичных тензо-элементов 30 (из структуры Х20Н75Ю, толщиной не более 100 нм). Сопротивления резисторов 24 и 25 равны между собой (по номиналу), могут быть кратными сопротивлению тензомоста, сформированы на основании 10 за границей 11 мембраны (рис. 2) в зоне, нечувствительной к механическим де-

формациям от давления.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемое давление Р воздействует на упругий элемент -мембрану тензорезисторного датчика давления, деформация которой с помощью тензорезисторов тензомоста преобразуется в напряжение, подаваемое на вход частотного преобразователя. На выходе частотного преобразователя сигнала с тензомоста генерируется сигнал прямоуголь-ной 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 осуществляется напряжением с выхода частотного преобразователя, амплитуда которого не влияет на частоту выходного сигнала устройства.

Выражение для выходной частоты преобразователя имеет вид 1 1

/ —

Тк 2(1 - ^ + 2m)С23 I.R

2R

-26

где £ r ления, m

= ДЯ/Я - относительное изменение сопротивления Я тензомоста 18 под действием даЕ

ДТА Дг>

коэффициенты, равные отношению сопротивлений 24 и 25 к сопротивле-ёмкости конденсаторов 23 и 21, Ки - сопротивление резистора

-24 ___

-- и п — ---

д д

нию Я тензомос та 18, С23 и С2 интегратора.

Из выражения (1) видно, что при нулевом разбалансе тензомоста 18 ( ёк — 0) и равенстве

сопротивлений дополнительных резисторов 24 и 25 (п=ш) начальная частота £0 выходного сигна-

ла преобразователя может задаваться с помощью величин ёмкости С23 конденсатора 23 и сопротивления Я26 резистора 26 и равна

/о =

1

4(1 + 2m)C23R26 4R26C23

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 (

&к =0 ^+0,01 ) и учитывая то, что эта величина значительно меньше единицы, из выражения ( 1) можно определить девиацию частоты ^ выходного сигнала преобразователя

R

2(1 + 2т)С2з^и

которая может задаваться и устанавливаться более точно с помощью величин ёмкости С23 конденсатора 2 3 и сопротивления Яи резистора интегратора.

Математическое моделирование устройства с учётом 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.

На рис. 4 показана зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста ёк

согласно выражения (1) в диапазоне от - 0, 01 до + 0, 01 (относительных единиц) , без учёта

влияния температуры, при следующих параметрах схемы: сопротивление тензомоста Я=7 00 Ом,

сопротивления интегратора Яи=52 63 0 Ом и Я2 6=1250000 Ом, ёмкость конденсатора С2 3=2 0 пФ при отсутствии дополнительных резисторов 24 и 25 (п=ш=0).

Из графика фиг. 6 видно, что частота Ї выходного сигнала от разбаланса тензомоста изме-

няется от 5033 Гц при 8К= - 0,01 до 15000 Гц при 8 ^ = + 0,01 и равна 10000 Гц при 8^ сит линейный характер во всём диапазоне разбаланса (как в отрицательной, так и в тельной области), что может быть использовано в дифференциальных датчиках давления.

.=0, но-положи-

Зависимость Евых от разбаланса тензомоста

1S000 10000 S000 0

, —Лг*—

0,01 0,00 S 0 0,00 S 0,01

—♦—Ряді S0BB 7S12 10000 1249S 1S000

Рис. 4. Зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста

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 тензо-резисторов, но в зоне нечувствительности к механическим дефор-мациям от измеряемого давления, для выходной частоты преобразова-теля выражение (1) принимает вид

f (T) =

2(1 Srt + 2тт 23 I R

6RT, I1 + £ RT + 2 2nT )

n

2R

m

e

ГДе

значения

1 + 6-5

m =

6dt =

1 + 6-5

зависят от относительного изменения сопро-

Т = , . , , 8ЯТ

ЪТ 1 I 8Т

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

С увеличением температуры сопротивление резисторов 24 и 25, выполненных из того же материала, что и тензорезисторы, и располо-женных в непосредственной близости от тензорезисторов за периферией мембраны на её основании, будет увеличиваться согласно величине т емпер а-турного коэффициента сопротивления материала (8Т ) , которая меняется от -0,09 до +0,09 при изменении температуры от -150оС до +150оС соответственно.

На рис. 4 показаны зависимости выходной частоты преобразова-теля от температуры и от соотношения резисторов 24 и 25 (п и т) при разбалансе тензомоста -0,01 и +0,01.

Рис.4. Зависимости 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 ш=Кг4/R и n=R25/R (m=n=l; 4; и т.д.) и размещении их на основании мембраны датчика давления происхо-

дит уменьшение температурной погрешности преобразования частоты выходного сигнала, как показано на рис. 4.

С ув еличением величины резисторов 24 и 25, например, в четыре раза (R24 = R25=2800 Ом) , 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 ещё 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, 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.

Схема принципиальная электрическая устройства была смоделирована с помощью компьютерной программы «Micro-Сар» и представлена на рис. 5.

1

Рис. 5. Схема электрическая принципиальная устройства

На рис. 6 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).

[Курсорный режим

Ш£

Рис. 6. Формы сигналов

Результаты схемотехнического компьютерного моделирования подтвердили справедливость выведенных выражений и результатов математического моделирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мокров Е.А. Интегральные датчики. Состояние разработок и производство. Направления развития, объёмы рынка // Датчики и системы, 20 00. - №1.- С. 2 8-3 0.

2. Белозубов Е.М. Перспективные тонкоплёночные тензорезисторные датчики давления для ракетной

и авиационной техники // Измерительная техника. - 2004.- №5.- С. 37-41.

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

4. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е. П. Осадчего. - М.:

Машиностроение, 1979.

5. Е.М. Белозубов, В.А. Васильев, Н.В.Громков Тонкоплёночные нано- и микроэлектромеханические

системы - основа современных и перспектив-ных датчиков давления для ракетной и авиационной техники / Измери-тельная техника. - М., 2009.- №7. - С. 35-38.

6. Е.М. Белозубов, В.А. Васильев, Н.В.Громков Проблемы и основные направления исследований тонкоплёночных нано- и микроэлектромеханичес-ких систем датчиков давления. Датчики и системы. -М. , 2009.- №8 - С. 54 - 58.

7. В.А. Васильев, Н.В.Громков Системный подход к совершенствованию измерительных преобразова-

телей / Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - М., 2010.- №4.

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