ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ
PRESSURE SENSOR 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 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.
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 тензорезисторы. Диэлектрик выполнен в виде тонкопленочной структуры Cr-SiO-SiO, тензоэлементы - в виде структуры Х20Н75Ю, перемычки - в виде структуры V-Au.
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
д
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 - емкость дозирующего конденсатора.
и
д
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 С 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
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 будет 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, a , 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 преобразования сигнала разбаланса тензомоста датчика: за счет уменьшения температурной погрешности путем размещения резистора интегратора на недеформируемой части чувствительного элемента и выполнения его из того же материала, что и тензорезисторы; за счет введения второго компаратора, позволяющего осуществить симметричное двухполярное напряжение питания тензомоста и, тем самым, устранить синфазную составляющую погрешности; за счет введения первого и второго дополнительных резисторов, позволяющих осуществлять симметрирование напряжения питания и, кроме того, уменьшить ток потребления тензомоста (уменьшить разогрев тензомоста от токопрохождения); за счет введения третьего дополнительного резистора, позволяющего задавать начальную частоту при разбалансе моста, как в положительную, так и в отрицательную стороны (тем самым, еще расширены функциональные возможности - реализована возможность измерения дифференциальных давлений).
Поставленная цель достигается тем, что в известном датчике 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 резистор интегратора соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора, резистор интегратора выполнен из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлен за периферией мембраны на ее основании, введены три дополнительных резистора и второй компаратор, при этом первый дополнительный резистор соединяет первую вершину диагонали питания тензомоста с выходом первого компаратора и с первым входом второго компаратора, выход которого через второй дополнительный резистор соединен со второй вершиной диагонали питания тензомоста, которая через третий дополнительный резистор соединена с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора, при этом вторые входы компараторов подключены к шине «земля».
Датчик 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 (фиг.1).
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, тензорезистивные, 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 датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) с частотным выходным сигналом. Она включает тензомост 18 тензорезисторного датчика давления 1 (фиг.2) и частотный преобразователь сигнала 2 (фиг.2) с выхода тензомоста датчика.
Частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста 18 датчика давления содержит интегратор 19, выполненный на операционном усилителе 20 с первым конденсатором 21 в цепи обратной связи, выход которого подключен к первому входу первого компаратора 22, инвертирующий вход операционного усилителя 20 интегратора через второй конденсатор 23 соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста 18 и через резистор интегратора 24 с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 18, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя 20 интегратора 19. Первый дополнительный резистор 25 соединяет первую вершину диагонали питания тензомоста 18 с выходом первого компаратора 22 и с первым входом второго компаратора 26, выход которого через второй дополнительный резистор 27 соединен со второй вершиной диагонали питания тензомоста 18, которая через третий дополнительный резистор 28 соединена с инвертирующим входом операционного усилителя 20 интегратора 19, при этом вторые входы компараторов 22 и 26 подключены к шине «земля». Резистор интегратора 24, выполненный из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлен за периферией мембраны по контуру на ее основании.
2
Тонкопленочная гетерогенная структура 12 нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) датчика давления (фиг.3) состоит из нано- и микроразмерных слоев, сформированных на металлической мембране (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 Cr 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 (фиг.5) методами фотолитографии и травления на мембране 30 формируют контактные площадки 29, мостовую схему из тензорезисторов 31-34 и резистор интегратора 24, выполненный из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, и расположенный на основании за границей мембраны (обозначенной пунктиром) в зоне, не чувствительной к механическим деформациям от давления.
Датчик 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.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.
Для описания работы частотного преобразователя и вывода функции преобразования введем обозначения:
R - сопротивление тензомоста;
25
27
R, R - первый и второй дополнительные резисторы;
25
27
е=R/R, f=R/R - коэффициенты пропорциональности;
24
R - сопротивление интегратора;
28
R - третий дополнительный резистор (установки начальной частоты);
21
С - емкость конденсатора интегратора (в цепи обратной связи);
23
С - емкость второго (дозирующего) конденсатора.
Произведем расчет сопротивлений между узлами схемы, потенциалы в узлах схемы и падения напряжения на отдельных участках:
cd
R=R;
Σ
R=R(1+e+f)=RP, где P=(1+e+f).
;
;
;
- напряжение разбаланса тензомоста.
0
В установившемся режиме работы устройства с выходов компараторов 22 и 26 преобразователя следуют разнополярные импульсы амплитудой ±U и  соответственно.
0
0
0
Пусть в момент t на выходе компаратора 22 произошла смена полярности выходного напряжения с -U на +U. Тогда напряжение на выходе интегратора 20 будет определяться скачком напряжения за счет перезаряда емкости второго (дозирующего) конденсатора 23, равным
0
1
ε
d
На интервале времени (t÷t) на выходе интегратора 20 будет изменяться за счет интегрирования сигнала разбаланса тензомоста 18 (U) и потенциала напряжения в точке d(U):
1
С учетом начальных условий (скачка напряжения) напряжение на выходе интегратора в течение полупериода T/2 будет изменяться и в момент t будет равно нулю
Решая уравнение относительно  получим
из которого
0
Из данного выражения следует, что при нулевом разбалансе тензомоста (ε=0) начальная частота F будет определяться как
а девиация частоты выходного сигнала
23
24
23
Диапазон изменения выходной частоты преобразователя в зависимости от заданного разбаланса тензомоста 18, который соответствует заданному диапазону измеряемого давления, можно устанавливать с помощью емкости конденсатора C и сопротивления интегратора R, а начальную частоту - с помощью резистора 28 с учетом выбранного значения емкости конденсатора С.
25
27
При равенстве сопротивлений R=R, т.е. когда е=f, начальная частота выходного сигнала будет равна
а девиация частоты будет определяться величиной разбаланса тензомоста
21
0
Как видно из выражений (7)-(11), на частоту выходного сигнала не влияют изменения емкости интегратора С и напряжения питания U.
Введение в схему дополнительных резисторов 25 и 27 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 1. Кроме того, изменяя сопротивления резисторов 25 и 27, можно производить дополнительную регулировку и подгонку выходной частоты преобразователя (как начальную частоту, так и девиацию частоты), то есть обеспечить подстройку не за счет подгонки тензорезисторов датчика, а путем подстройки одного из резисторов 25 или 27 (расположенных вне чувствительного элемента в модуле частотного преобразователя).
Однако данные выражения не учитывают изменение сопротивления тензомоста при воздействии температуры.
С учетом влияния температуры при разогреве (или охлаждении) тензорезисторов изменяются их сопротивления и функция преобразования (7) частотного преобразователя будет выглядеть следующим образом:
где  в которой  - разбаланс тензомоста без учета влияния температуры, а  - относительное изменение сопротивления тензомоста с учетом влияния температуры. При этом частота выходного сигнала преобразователя с увеличением температуры будет уменьшаться, а относительная температурная погрешность преобразования соответственно увеличиваться до нескольких процентов в диапазоне температур от -200°С до +300°С.
При размещении резистора 24 интегратора 19 непосредственно на мембране датчика давления в зоне, не чувствительной к механическим деформациям (на основании мембраны), но близкой по температуре к температуре тензорезисторов, и выполнения его из того же материала, что и тензорезисторы (что значительно упрощает технологию изготовления гетерогенной структуры датчика давления), с теми же температурными коэффициентами, можно скомпенсировать температурную погрешность и функция преобразования будет иметь вид:
в котором  - сопротивление резистора интегратора при воздействии температуры, а  - относительное изменение сопротивление резистора интегратора от изменения температуры мембраны датчика. Поскольку резистор 24 интегратора и тензорезисторы тензомоста 18 выполнены из одного и того же материала с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления, первая составляющая в квадратных скобках выражения (13) будет оставаться без изменения, т.е. температура разогрева тензомоста не будет сказываться на частоте выходного сигнала частотного преобразователя.
Математическое моделирование датчика давления 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 резистора интегратора позволило получить графические зависимости выходного сигнала от изменения перечисленных выше параметров и произвести сравнительную оценку заявляемого устройства с прототипом.
24
28
25
27
23
На фиг.6 показана зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста ε согласно выражению (7) в диапазоне от -0,01 до +0,01 без учета влияния температуры при следующих параметрах схемы: сопротивление тензомоста R=700 Ом, сопротивление интегратора R=6666 Ом, сопротивление резистора R=166666 Ом, сопротивления резисторов R и R равны 700 Ом, емкость конденсатора C=15 пФ.
Из графика фиг.6 видно, что зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста изменяется от 5000 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.
и
и
На фиг.7 показана зависимость частоты выходного сигнала от влияния температуры разогрева тензомоста в диапазоне температур от -100°С до +300°С при разбалансе тензомоста ε=-0,01, когда резистор 24 интегратора расположен в модуле (схеме) частотного преобразователя R (схема) и на мембране датчика давления R(мембр.).
На фиг.8 показана аналогичная зависимость частоты выходного сигнала при разбалансе тензомоста ε=+0,01.
Из графиков зависимостей видно, что при расположении резистора интегратора в схеме частотного преобразователя (как в прототипе) частота выходного сигнала при отрицательном разбалансе тензомоста (ε=-0,01) увеличивается с ростом температуры и уменьшается при положительном разбалансе (ε=+0,01), а при размещении резистора интегратора на мембране датчика происходит компенсация температурной погрешности частотного преобразователя.
При повышении температуры измеряемой среды происходит разогрев тензомоста как за счет разогрева датчика от воздействия среды, так и за счет протекания тока через тензорезисторы, что ограничивает повышение чувствительности датчиков давления путем повышения напряжения питания тензомоста и соответственно увеличения амплитуды сигнала с выхода измерительной диагонали тензомоста из-за ограниченной мощности тензорезисторов. С повышением температуры и увеличением разбаланса тензомоста сказываются температурные изменения сопротивлений тензорезисторов, которые приводят к дополнительной погрешности преобразования. Введение в схему частотного преобразователя дополнительных резисторов 25 и 27 в случае равенства их номиналов не влияют на частоту выходного сигнала преобразователя, однако уменьшают разогрев тензорезисторов за счет уменьшения тока, протекающего через тензомост.
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 почти полностью компенсировать) погрешность измерения датчика давления, 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.9. На фиг.10 показаны формы и амплитуды сигналов с выхода интегратора устройства (верхняя диаграмма) и с выхода компараторов (нижние диаграммы), а также частота выходного сигнала (в правом верхнем углу). Результаты схемотехнического компьютерного моделирования подтвердили справедливость выведенных выражений и результатов математического моделирования.
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 №2082124. Датчик давления. Бюл. №17. от 20.06.97.
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. Н03K 13/20. Опубл. 07.05.81. Бюл. №17.