Полупроводниковый преобразователь давления со схемой термокомпенсации

 

Использование: для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры окружающей среды. Сущность изобретения: в полупроводниковый преобразователь давления, содержащий тензомост, введена схема термокомпенсации на транзисторе и двух тонкопленочных резисторах, а также токоограничивающий и нормирующий тонкопленочный резисторы и два балансировочных резистора. Это позволяет получить высокую точность измерения, полную взаимозаменяемость датчиков давления в простом и надежном исполнении на базе интегральной и тонкопленочной технологии. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды.

Известна схема температурной компенсации для компонентов преобразователя давления [1] состоящая из четырех основных частей: источника тока, формирующего выходной сигнал, пропорциональный температуре преобразователя, источника постоянного напряжения, делителя Нортона (резистивно-диодная цепочка) и операционного усилителя. Данное техническое решение позволяет снизить влияние температуры на точность результатов измерения давления за счет компенсационной схемы, выходное напряжение которой близко соответствует обратной температурной зависимости преобразователя.

Недостатком данного технического решения является необходимость сложной настройки схемы для приемлемой температурной компенсации и дополнительная перенастройка при замене преобразователя давления, сложность схемы и высокая стоимость, низкая надежность и большие габаритные размеры.

Известна схема компенсации температурной зависимости чувствительности и нуля тензорезистивного датчика давления, в котором датчик давления термически связан с температурным зондом. Последовательно с температурным зондом соединен вспомогательный усилитель, к выходу которого подключена диагональ питания моста датчика давления. К выходной диагонали моста подключен выходной усилитель, на вход которого через резистивную схему подается зависящее от температуры корректирующее напряжение.

Недостатком данного технического решения является его сложность, необходимость настройки для приемлемой температурной компенсации и необходимость перенастройки при замене преобразователя давления, трудоемкость изготовления, высокая стоимость и большие габаритные размеры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является полупроводниковый датчик давления, содержащий схему температурной компенсации и новую схему нагрева, принятый за прототип и состоящий из полости с одной тонкостенной диафрагмой, в которой методами диффузии сформированы четыре тензорезистора, соединенные в мост Уитстона, регулятора напряжения на зенеровском диоде и соединенного с мостом, двух операционных усилителей, подключенных к выходу моста, схемы температурной компенсации моста и регулятора температурного диапазона, содержащего транзистор, сформированный в тонкостенной диафрагме, термически хорошо соединенного с мостом и импульсивного источника, с помощью которого можно быстро нагреть тонкостенную диафрагму.

Весь датчик давления, за исключением двух операционных усилителей, изготовлен на одном полупроводниковом кристалле способами интегральной технологии.

Недостатком данного технического решения является невысокая точность измерения давления в широком диапазоне температур из-за зависимости самой схемы термокомпенсации от температуры (диффузные резисторы зависят от температуры). Поэтому введена схема нагрева и регулятор напряжения на зенеровском диоде. Кроме того, к недостаткам следует отнести необходимость перестройки температурного диапазона, начальный выходной сигнал не равен нулю, сложность изготовления, высокая стоимость и большие габаритные размеры.

Целью предлагаемого технического решения является создание полупроводникового преобразователя давления со схемой термокомпенсации, обладающего высокой точностью измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры окружающей среды при обеспечении полной взаимозаменяемости датчиков давления, изготовленных на основе предлагаемых преобразователей давления, без настройки контрольной и измерительной аппаратуры.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковый преобразователь давления, содержащий полость с одной тонкостенной диафрагмой, в которой сформированы четыре тензорезистора, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения давления введена схема термокомпенсации на транзисторе и двух тонкопленочных резисторах из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, размещенная вне диафрагмы и включенная в цепь питания измерительного моста и дополнительно введены: токоограничивающий и нормирующий тонкопленочный резистор из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления и расположенный в противоположной стороне, вне диафрагмы, и включенный в цепь питания, и два балансировочных тонкопленочных резистора из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, подключенных к эмиттеру транзистора и связанных вторыми выводами с двумя тензорезисторами измерительного моста, причем выходом преобразователя давления является диагональ моста.

Изготовление преобразователя давления производится известными методами интегральной и тонкопленочной технологии.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что резисторы схемы термокомпенсации изготовлены из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, и в том, что введен токоограничивающий и нормирующий тонкопленочный резистор, и два балансировочных резистора из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, что позволило изменить свойство известного технического решения и обеспечить поставленную цель: увеличить точность измерения давления при воздействии нестационарной температуры окружающей среды за счет снижения температурной зависимости самой схемы термокомпенсации и ограничением изменения тока при изменении температуры за счет введения тонкопленочного резистора с одновременным нормированием выходного сигнала с помощью еще двух тонкопленочных резисторов, настройкой начального разбаланса моста в ноль.

На фиг.1 представлена электрическая схема полупроводникового преобразователя давления.

Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий полость с одной тонкостенной диафрагмой, в которой сформированы четыре тензорезистора R2,R3, R4, R5, введена схема термокомпенсации, размещенная вне диафрагмы, на транзисторе VT1,(например n-p-n структуры) и двух тонкопленочных резисторах R8, R9 из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, включенная в цепь питания измерительного моста, а также дополнительно введены токоограничивающий и нормирующий тонкопленочный резистор R1, из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления и расположенный в противоположной от транзистора стороне вне диафрагмы, что ликвидирует температурный градиент по диафрагме, и включенный в цепь питания, и два балансировочных резистора R6,R7 из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, подключенных к эмиттеру транзистора и связанных вторыми с двумя тензорезисторами измерительного моста, причем выходом преобразователя давления является диагональ моста.

Полупроводниковый преобразователь давления со схемой термокомпенсации работает следующим образом: на выход 2,4 подается питание, а с диагонали моста через выводы 1,3 снимается выходной сигнал. При отсутствии давления измерительный мост находится в равновесии и начальный выходной сигнал с помощью тонкопленочных резисторов R6,R6 устанавливается равным "о". При подаче давления происходит деформация диафрагмы, на которой расположены тензорезисторы R2, R3,R4,R5, происходит изменение их сопротивлений и на выходе измерительного моста (выводы 1,3) появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. Величина выходного сигнала нормируется с помощью резистора R1, как V _ном. при P _ном.. Для настройки разбаланса измерительного моста и нормированного выходного сигнала используется лазерная подгонка резисторов (4). При увеличении температуры происходит изменение номиналов сопротивлений тензорезисторов R2, R3, R4, R5 и снижение выходного сигнала, но увеличение температуры приводит к увеличению тока через транзистор и измерительный мост и увеличивает выходной сигнал. Увеличение роста тока через мост ограничивает резистор R1 и, следовательно, поддерживает выходной сигнал постоянным при повышении температуры.

При снижении температуры происходит увеличение выходного сигнала за счет изменения номиналов сопротивлений тензорезисторов моста R2,R3,R4,R5, но с уменьшением температуры ток через транзистор и измерительный мост, однако R1 ограничивает падение тока, и выходной сигнал моста остается постоянным. Кроме того, введение R1 позволяет нормировать выходной сигнал преобразователя и изготавливать датчики давления на основе таких преобразователей с нормированным выходным сигналом, что обеспечивает их полную взаимозаменяемость и исключает сложную настройку контрольной и измерительной аппаратуры.

Технико-экономическое преимущество предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключается в обеспечении более высокой точности измерения в условиях воздействия нестационарных температур окружающей среды при одновременном нормировании выходного сигнала для полной взаимозаменяемости датчиков давления, изготовленных на основе настоящих преобразователей. Изготовление полупроводникового преобразователя давления методами интегральной и тонкопленочной технологии позволяет сделать его миниатюрным, надежным, дешевым и массовым изделием.

Датчики давления на основе описанного преобразователя давления найдут широкое применение в автомобильной промышленности в системах питания двигателей топливом, вакуумном оборудовании, химической и газовой промышленности, испытательных аппаратах и т.д.

Экономический эффект от использования будет значителен, но количественно его в настоящее время оценить трудно.

Формула изобретения

Полупроводниковый преобразователь давления со схемой термокомпенсации, содержащий полупроводниковый кристалл, вырезанный в виде пластины, являющейся стенкой полости с измеряемым давлением, при этом в пластине выполнена тонкостенная диафрагма, в которой сформированы четыре тензорезистора измерительной мостовой схемы, отличающийся тем, что в нем схема термокомпенсации выполнена в виде двухполюсника, включенного последовательно в цепь питания мостовой схемы, двухполюсник содержит биполярный транзистор, выводы эмиттер и коллектор которого являются выводами двухполюсника, а также два тонкопленочных резистора, подключенных первыми выводами к базе транзистора, а вторыми выводами соответственно к его эмиттеру и коллектору, причем тонкопленочные резисторы выполнены из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, двухполюсник размещен на полупроводниковом кристалле вне тонкостенной диафрагмы с одной ее стороны, с другой стороны тонкостенной диафрагмы диаметрально противоположно двухполюснику вне диафрагмы на полупроводниковом кристалле размещен введенный последовательно в цепь питания токоограничивающий и нормирующий тонкопленочный резистор, выполненный из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, а в мостовую схему введены два балансировочных тонкопленочных резистора, выполненных из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления и подключенных первыми выводами к эмиттеру транзистора, вторыми выводами связанных соответственно с двумя смежными тензористорами мостовой схемы, причем выходом полупроводникового преобразователя давления является измерительная диагональ мостовой схемы.

РИСУНКИ

Рисунок 1