Полупроводниковый датчик давления

 

Изобретение относится к устройствам для измерения давления и предназначено для использования в первичных преобразователях давления в электрический сигнал. Устройство содержит пьезомост, сформированный на упругой мембране кремниевого чувствительного элемента, плечи пьезомоста объединены в общей точке, подключенной к нулю питания датчика или к напряжению питания датчика, каждое плечо имеет измерительный выход и вход питания плеча пьезомоста, а также термокорректор, имеющий два вывода опорных напряжений с различными температурными градиентами, а также дифференциальный усилитель сигнала давления. При этом для каждого плеча пьезомоста введено по управляемому источнику питания плеч пьезомоста, построенному на операционном усилителе, инверсный вход которого подключен к измерительному выходу плеча пьезомоста, прямой вход - к одному из выводов опорного напряжения термокорректора, а выход - к входу питания плеча пьезомоста и к одному из входов дифференциального усилителя сигнала давления. Термокорректор датчика содержит операционный усилитель термокорректора с резисторами и термомост, один измерительный вывод термомоста через резистивный делитель соединен с прямым входом операционного усилителя термокорректора, другой через резистор - с инверсным входом операционного усилителя термокорректора. Для удобства настройки между инверсным входом и выходом операционного усилителя термокорректора включен резистивный делитель, отвод которого является первым выводом термокорректора, а выход операционного усилителя термокорректора является вторым выводом термокорректора. Технический результат - упрощение схемотехнического решения при сохранении возможности независимой компенсации мультипликативной и аддитивной составляющих погрешности и повышение линейности выходного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в первичных преобразователях давления в электрический сигнал для систем автоматического управления, в информационных, контрольных и других приборах, работающих в широком диапазоне температур, в частности в электронных системах зажигания автомобилей.

Известен полупроводниковый датчик давления, содержащий пьезомост, сформированный на тонкой полупроводниковой мембране, к которой приложено давление. Каждое плечо моста состоит из двух последовательно соединенных полупроводниковых тензорезисторов, плечи электрически соединены в одном конце, каждое имеет вход питания и измерительный вывод. Операционный усилитель источника питания моста присоединен инверсным входом к точке соединения плеч тензомоста, выход его присоединен к концу одного из плеч. Измерительные выводы плеч (концы измерительной диагонали) тензомоста присоединены соответственно к прямому и инверсному входу второго операционного усилителя. Выход второго усилителя присоединен к входу питания другого плеча моста. Уровень напряжения, который измеряется в соответствии с изменением температуры окружающей среды, приложен к положительному входу первого операционного усилителя (патент Великобритании N 2012967, МКИ G 01 L 9/04, заявлен 5.01.1979, дата первоначального приоритета 6.01.1978, опубликован 1.08.1979).

В сигнале пьезомоста присутствуют два рода температурных погрешностей. Во-первых, при изменении температуры кристалла изменяется чувствительность тензорезисторов, при этом выходной сигнал изменяется пропорционально изменению чувствительности. Это мультипликативная составляющая погрешности, для ее компенсации следует изменять ток питания пьезомоста обратно пропорционально изменению чувствительности (что и сделано в рассматриваемом патенте) либо соответствующим образом увеличивать коэффициент усиления усилителя. Во-вторых, разность свойств пьезорезисторов, наличие балансировочного резистора и температурные деформации мембраны при неизменном давлении приводят к появлению аддитивной погрешности, складывающейся с полезным сигналом. Для ее компенсации следует из сигнала пьезомоста вычитать некоторую величину, пропорциональную температуре. В рассматриваемом патенте для компенсации этой погрешности использован резистивный делитель, сигнал которого подается на один из входов второго операционного усилителя.

Недостатком рассматриваемой схемы является неполное использование напряжения питания датчика для питания тензомоста, поскольку последовательно с мостом включен дополнительный задающий ток резистор. Кроме того, схема неудобна в настройке, при компенсации аддитивной погрешности при повышенной температуре будет сбиваться исходная настройка при комнатной.

Наиболее близким техническим решением, позволяющим независимо компенсировать мультипликативную и аддитивную составляющие погрешности, является датчик давления (патент России N 2086940 от 10.08.1997, МКИ G 01 L 9/04, 19/04, приоритет изобретения 10.08.1995), содержащий пьезомост с управляемым источником питания плеч пьезомоста, дифференциальный усилитель сигнала давления с отдельным входом смещения, а также термокорректор, состоящий из термомоста и двух операционных усилителей, выдающих опорные напряжения для компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности. Однако датчик сложен схемотехнически и содержит 7 операционных усилителей. Кроме того, используемый в этой схеме источник питания плеч пьезомоста приводит к некоторой нелинейности выходного сигнала, он порождает квадратичную погрешность, составляющую в реальных схемах около 0.5% полной шкалы.

Целью изобретения является упрощение схемотехнического решения при сохранении возможности раздельной, независимой компенсации мультипликативной и аддитивной составляющих погрешности, и повышение линейности выходного сигнала.

Аналог и прототип датчика давления включают измерительный пьезомост, источник питания плеч пьезомоста, термокорректор и дифференциальный усилитель сигнала давления.

Измерительный пьезомост состоит из тензорезисторов, расположенных на кремниевой мембране, и пассивных резисторов. Мембрана сформирована на кремниевом кристалле селективным травлением и воспринимает измеряемое давление. Основная функция этого элемента - выделение сигнала, пропорционального действующему на мембрану давлению. Существенными признаками пьезомоста являются характеристики составляющих его резисторов: пассивный резистор, сопротивление которого не зависит от напряжений в мембране; активный или тензорезистор, сопротивление которого увеличивается или уменьшается с ростом давления на мембране пьезомоста. Важен способ соединения этих резисторов и наличие внешних выводов: для питания каждого из плеч пьезомоста, общей точки плеч пьезомоста и измерительного вывода сигнала каждого плеча пьезомоста.

Другим элементом датчика является источник питания плеч пьезомоста, основной функцией которого является питание тензорезисторов пьезомоста заданным током. Так как чувствительность тензорезисторов падает с повышением температуры, ток или напряжение питания плеч пьезомоста часто делают зависимым от температуры. Обычно оба плеча пьезомоста бывают подключены к единому источнику питания плеч пьезомоста. Существенным является количество источников питания: один на весь пьезомост или на каждое плечо пьезомоста свой источник. Кроме того, существенно подключение выводов операционного усилителя, на котором обычно выполняется источник питания плеч пьезомоста.

Термокорректор датчика формирует зависимое от температуры напряжение с требуемым температурным градиентом. Существенной является совокупность внешних выводов. Термокорректор, пригодный для использования в патентуемом датчике, должен иметь по крайней мере четыре вывода: вход питания Vcc; ноль питания - 0, выход первого опорного напряжения Vdl и выход второго опорного напряжения Vd2. Удобство настройки датчика, как будет показано позже, определяется возможностью независимой регулировки полусуммы и полуразности этих градиентов, что также является существенным признаком. Для патентуемой схемы пригоден термокорректор, состоящий из термомоста и двух операционных усилителей, выдающих опорные напряжения для компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности (патент России N 2086940 от 10.08.1997, приоритет изобретения 10.08.1995). Значения температурных градиентов выходных напряжений этого термокорректора можно регулировать независимо, значит, независимо можно будет регулировать и их полусумму и полуразность. Однако корректор конструктивно сложен, и далее приведены более простые варианты построения термокорректора, удовлетворяющие выше оговоренным существенным признакам.

Дифференциальный усилитель сигнала давления датчика усиливает сигнал пьезомоста до требуемого уровня. Иногда для компенсации температурных погрешностей отдельные резисторы этого усилителя выполняют с существенно отличными от других температурными коэффициентами сопротивления (ТКС). В прототипе оговорено использование дифференциального усилителя с отдельным входом смещения. Для использования в патентуемом датчике подойдет дифференциальный усилитель без отдельного входа смещения, т.е. имеющий два входа сигнала и выход, эти выводы имеются у любого дифференциального усилителя.

Сущностью патентуемого датчика давления является использование отдельных управляемых источников питания плеч пьезомоста для каждого из двух плеч пьезомоста. Каждый источник питания плеч пьезомоста построен на операционном усилителе. Причем на прямой вход операционного усилителя источника питания плеч пьезомоста подано свое температурно-зависимое опорное напряжение от термокорректора. Инверсный вход операционного усилителя источника питания плеча пьезомоста подключен к измерительному выводу плеча пьезомоста, а выход - к входу питания плеча пьезомоста и одному из входов измерительного дифференциального усилителя сигнала. Удобство настройки датчика определяется возможностью независимой регулировки полусуммы и полуразности температурных градиентов опорных напряжений термокорректора, вариант реализации такого термокорректора оговорен в зависимом п. 2 формулы.

На фиг. 1-8 показаны схемы, иллюстрирующие изобретение. На фиг. 1, 2 и 3 показаны различные варианты построения пьезомостов; на фиг. 4, 5, 6 и 7 - варианты построения термокорректора; на фиг. 8 - схема датчика давления, иллюстрирующая возможность технической реализации изобретения.

Пьезомост, изображенный на фиг. 1, на мембране содержит 4 активных тензорезистора pr1-pr4 в зонах действия максимальных сжимающих и растягивающих напряжений. Здесь каждое плечо измерительного пьезомоста состоит из двух тензорезисторов, увеличивающих (pr2, pr3) и уменьшающих (pr1, pr4) свое сопротивление при приложении к мембране давления. Оба плеча объединены общей точкой 0, причем в ней сходятся тензорезисторы pr1 и pr2 с разными знаками приращения сопротивления при увеличении давления. Каждое плечо имеет измерительный выход от другого вывода объединенных в общей точке резисторов (D1 и D2 соответственно) и вход питания плеча пьезомоста (Vp1 и Vp2).

Пьезомост, изображенный на фиг. 2, на мембране содержит также 4 тензорезистора. Каждое плечо пьезомоста состоит из двух тензорезисторов, увеличивающих (pr2, pr3) и уменьшающих (pr1, pr4) свое сопротивление при приложении к мембране давления, и двух пассивных резисторов R1 и R2, сопротивление которых от давления не зависит. Они предназначены для балансировки пьезомоста для получения требуемой выходной характеристики и могут быть расположены как на кремниевом кристалле, так и вне его. Пассивный резистор в одном из плеч может отсутствовать. Здесь также оба плеча объединены общей точкой 0, причем в ней сходятся тензорезисторы pr1 и pr2 с разными знаками приращения сопротивления при увеличении давления. Каждое плечо имеет измерительный выход от другого вывода объединенных в общей точке резисторов (D1 и D2 соответственно) и вход питания плеча пьезомоста (Vp1 и Vp2).

Пьезомост, изображенный на фиг. 3, на мембране содержит 2 активных тензорезистора pr1 и pr2 в зонах действия максимальных сжимающих и растягивающих напряжений. Здесь каждое плечо измерительного пьезомоста состоит из тензорезистора, увеличивающего (pr2) или уменьшающего (pr1) свое сопротивление при приложении к мембране давления, и пассивного резистора (R1 или R2), сопротивление которого от давления не зависит. Оба плеча объединены общей точкой 0, причем в ней сходятся тензорезисторы pr1 и pr2 с разными знаками приращения сопротивления при увеличении давления. Каждое плечо имеет измерительный выход от другого вывода объединенных в общей точке резисторов (D1 и D2 соответственно) и вход питания плеча пьезомоста (Vp1 и Vp2).

На фиг. 4 представлен термокорректор, содержащий термомост, состоящий из четырех резисторов, по крайней мере один из которых имеет существенно отличный от других ТКС. Такой корректор способен выполнять свои функции, т.е. выдавать два температурно-зависимых напряжения Vdl и Vd2 с возможностью регулировки их полусуммы и полуразности. Однако он требует лазерной пригонки значений терморезисторов. Добавление последовательно-параллельно подключенных пассивных резисторов, сопротивление которых можно увеличивать лазерной пригонкой к плечам термомоста, может облегчить настройку, однако для выдачи реально требуемых градиентов около +2·10^-3 на градус потребуются терморезисторы со значительным и линейным в рабочей зоне ТКС, что технологически может оказаться трудно выполнимым.

На фиг. 5 представлен термокорректор, содержащий термомост, к выводу измерительной диагонали которого с большим температурным градиентом подключен прямой вход дифференциального усилителя, а к выводу с меньшим температурным градиентом - инверсный вход дифференциального усилителя. Дифференциальный усилитель построен по известной схеме на операционном усилителе DA1 с резистивным делителем R1R2 в цепи прямого входа, резистором R4 в цепи инверсного входа и резисторной обратной связью. Здесь существенным для нас признаком является то, что в обратную связь включен не один резистор, как обычно, а резистивный делитель на последовательно включенных резисторах R5 и R6. Один выход термокорректора (Vd2) берется от выхода усилителя, другой (Vd1) от отвода делителя цепи обратной связи R5 и R6.

Такая схема удобна в настройке на требуемые градиенты выходных напряжений. Термокорректор может быть сбалансирован при исходной температуре t₀. Это температура, при которой производят начальную настройку датчика, именно от нее идет отсчет отклонения температуры t. Условие балансировки согласно обозначениям фиг. 5, 6 и 7 здесь Vt1, Vt2 - напряжения на измерительных выводах первого и второго плеча термомоста термокорректора. Балансировку можно проводить либо лазерной пригонкой резисторов термомоста, либо резисторов R1 или R2.

Опорные напряжения, подаваемые на прямые входы источников питания плеча пьезомоста, должны иметь определенный температурный градиент α_i удля компенсации температурных погрешностей (Vd1 для плеча 1 и Vd2 для плеча 2) Vd1 = V₀(1+α₁t) = V₀(1+α·t)-V₀δ_α·t, Vd2 = V₀(1+α₂t) = V₀(1+α·t)+V₀δ_α·t, здесь α₁,α₂ - температурные градиенты выходных напряжений термокорректора; t - отклонение температуры от исходной t₀, V₀ - значение выходного напряжения термокорректора при исходной температуре t₀, среднее значение (полусумма) температурного градиента обоих выходов термокорректора; δ_α - отклонение градиента первого и второго выходов от среднего значения Для сбалансированного термокорректора значения полусуммы и полуразности температурных градиентов составляет здесь α_m1 - относительный температурный градиент на измерительном выводе первого плеча термомоста, δ_m = α_m1 -α_m2 - разность относительных градиентов на измерительных выводах плеч термомоста.

Далее показано, что полусумма температурных градиентов α компенсирует мультипликативную составляющую температурной погрешности датчика, а полуразность δ_α - аддитивную составляющую. Реально значение α, требуемое для компенсации мультипликативной погрешности, составляет около 20% на 100^oC или +2·10^-3 1/^oС, типовое значение δ_α - по абсолютной величине на два порядка меньше. Исходя из этого реальные соотношения резисторов R5, R4 и R6 составляет: R5/R4/R6= 10/1/0.1, т. е. значения этих резисторов различаются на порядок. Поскольку R6 на два порядка меньше R5, значение полусуммы α определяется в основном резистором R5. Значение полуразности определяется только значением R6, т.е. полусумму и полуразность градиентов можно независимо регулировать резисторами R5 и R6 и производить температурную коррекцию датчика.

Приведенная схема очень гибка в настройке и может формировать требуемые значения полусуммы и полуразности градиентов выходных напряжений даже при отрицательных значениях температурных градиентов на измерительных выводах термомоста.

Недостатком этой схемы является зависимость выходных напряжений Vdl, Vd2 от напряжения питания термомоста Vcc. На фиг. 6 представлен термокорректор, содержащий термомост, в плечи которого включены диодные цепочки (возможно включение по одному диоду), в остальном схема сходна с предыдущей. Диоды плеч термомоста запитаны существенно (на порядок) различным током, что порождает различные температурные градиенты падения напряжения на них. Значения выходных напряжений Vdl, Vd2 от напряжения питания термомоста Vcc здесь зависят очень мало.

Термомост термокорректора, представленного на фиг. 7, содержит в плечах транзисторы, между базой, эмиттером и коллектором которых включены резисторы. Одиночный транзистор, включенный подобным способом, широко применяют для питания пьезомостов датчиков давления. Коллектор каждого транзистора подключен к питанию через резистор, причем сопротивления этих резисторов существенно (на порядок) различны, что порождает существенно различный ток в плечах и различные температурные градиенты падения напряжения на коллекторах. Значения выходных напряжений Vd1, Vd2 от напряжения питания термомоста Vcc здесь также зависят очень мало.

Схема датчика давления, составляющего предмет изобретения, представлена на фиг. 8. Схема состоит из пьезомоста РМ по варианту фиг. 2, сформированного на упругой мембране кремниевого чувствительного элемента, к которой приложено измеряемое давление. Для использования в изобретении подойдет любой из приведенных на фиг. 1, 2 и 3. вариантов. Здесь приведено обобщенное описание пьезомоста. Каждое плечо пьезомоста включает хотя бы один тензорезистор, плечи объединены в общей точке, причем в ней сходятся тензорезисторы pr1 и pr2 с разными знаками приращения сопротивления при изменении давления. На фиг. 8 общая точка плеч пьезомоста подключена к 0 питания датчика, однако она может быть подключена и к напряжению питания датчика Vcc. Каждое плечо имеет измерительный выход (D1 и D2 соответственно) от другого вывода объединенных в общей точке тензорезисторов и вход питания плеча пьезомоста (Vp1 и Vp2 соответственно).

Другим элементом схемы является термокорректор ТК, выполненный по варианту фиг. 4. Могут быть использованы и другие варианты термокорректора, представленные на фиг. 5, 6 и 7. Термокорректор размещается рядом с чувствительным элементом либо сформирован непосредственно на кристалле чувствительного элемента и формирует два зависящих от температуры сигнала Vdl и Vd2 с возможностью независимой регулировки их полусуммы и полуразности.

Сущностью патентуемого датчика давления является использование двух отдельных управляемых источников питания плеч пьезомоста. Управляемые источники питания плеч пьезомоста выполнены на операционном усилителе. К измерительному выводу каждого плеча пьезомоста подключен инверсный вход операционного усилителя управляемого источника питания плеч пьезомоста (DA1 для плеча 1 и DA2 для плеча 2). Выход этого усилителя подключен к точке входа питания Vpi плеча пьезомоста, а на прямой вход подается опорное напряжение Vdi с термокорректора ТК. Управляемый источник питания плеч пьезомоста на операционном усилителе со сходным образом подключенным прямым и инверсным входом используется и в прототипе (патент России N 2086940 от 10.08.1997, приоритет изобретения 10.08.1995), однако он один и питает весь мост, а не отдельное плечо моста. В патентуемой схеме их два, по одному на каждое плечо пьезомоста, именно поэтому необходим пьезомост с раздельными входами питания плеч.

При таком включении управляемые источники питания плеч пьезомоста DA1 и DA2 совмещают функции источника питания и усилителя сигнала измерительного выхода плеча. Напряжение на его выходе в соответствии с обозначениями на фиг. 8 будет равно:.

здесь pr₀ - номинальное значение тензорезистора пьезомоста; Δpr - изменение сопротивления тензорезистора при приложении перепада давлений к мембране; ρ1,ρ2 - относительное значение резисторов R1 и R2, относительное приращение сопротивления тензорезистора, зависящее от температуры,β₀ - чувствительность пьезорезистора, реально составляющая около 2% на полную шкалу давлений P, γ - коэффициент потери чувствительности, составляющий около 20% на 100 градусов приращения температуры.

Выходы управляемых источников питания плеч пьезомоста DA1 и DA2, кроме входов питания плеч пьезомоста, подключены также к входам дифференциального усилителя сигнала датчика, построенного по известной схеме на операционном усилителе DA3 с резисторами R3, R4 и R5 на входах и резистором R6 в обратной связи. Для того чтобы дифференциальный усилитель не усиливал синфазную составляющую входных сигналов, отношения резисторов R3/R5 и R4/R6 должны быть равны. Однако отсутствие усиления синфазной составляющей сигнала пьезомоста для датчика давления не является решающим условием и может быть скомпенсировано при настройке, поэтому резистор R5 может совсем отсутствовать (иметь бесконечно большое сопротивление). Резистор R3 в этом случае компенсирует влияние входных токов операционного усилителя и при использовании усилителя с малыми входными токами также может отсутствовать (иметь бесконечно малое сопротивление).

Дифференциальный усилитель усиливает разность сигналов V_o1 и V_o2 и формирует выходной сигнал V_p

Формула (1) описывает выходной сигнал схемы и состоит из трех слагаемых. Первое слагаемое описывает усиление сигнала давления δr. Этот сигнал сам зависит от температуры и имеет аддитивную составляющую погрешности Δ(t), пропорциональную отклонению температуры, и мультипликативную составляющую погрешности Δ(P·t), пропорциональную произведению температуры и давления.

Второе слагаемое формулы (1) пропорционально отклонению температуры t и при соответствующих значениях δ_α/и α может компенсировать аддитивную составляющую погрешности усиленного сигнала давления Δ(t). Причем влияние δ_α здесь на несколько порядков больше, чем α., поскольку разность (ρ1-ρ2) близка к нулю.

Третье слагаемое формулы (1) пропорционально произведению отклонения температуры и давления и, при соответствующих значениях α и δ_α, может компенсировать мультипликативную составляющую погрешности усиленного сигнала давления Δ(P·t). Причем влияние α здесь на несколько порядков больше, чем δ_α., поскольку разность (ρ1-ρ2) близка к нулю.

Мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности сигнала чувствительного элемента компенсируются соответственно подбором значения полусуммы градиентов опорных напряжений термокорректора α и подбором значения полуразности δ_α.
Благодаря симметрии входной части схемы обеспечивается взаимная компенсация смещения и температурного дрейфа усилителей DA1 и DA2 (фиг. 8). Кроме того, симметричное включение плеч пьезомоста как по цепям питания, так и по измерительным цепям минимизирует квадратичные погрешности при обработке сигналов тензорезисторов.

Если функции температурно-зависимых элементов термомоста выполняют p-n переходы, как показано на фиг. 6 и 7, все элементы датчика можно разместить на кристалле чувствительного элемента.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый датчик давления, содержащий пьезомост, сформированный на упругой мембране кремниевого чувствительного элемента, к которой приложено измеряемое давление, каждое плечо пьезомоста включает хотя бы один тензорезистор, плечи пьезомоста объединены в общей точке, подключенной к нулю питания датчика или к напряжению питания датчика, причем в ней сходятся тензорезисторы с разными знаками приращения сопротивления при изменении давления, каждое плечо имеет измерительный выход плеча пьезомоста и вход питания плеча пьезомоста, а также термокорректор, имеющий два вывода опорных напряжений с различными температурными градиентами, а также дифференциальный усилитель сигнала давления, отличающийся тем, что для каждого плеча пьезомоста введено по управляемому источнику питания плеч пьезомоста, построенному по схеме, содержащей операционный усилитель, инверсный вход которого подключен к измерительному выходу плеча пьезомоста, прямой вход подключен к одному из выводов опорного напряжения термокорректора, а выход - к входу питания плеча пьезомоста и к одному из входов дифференциального усилителя сигнала давления.

2. Полупроводниковый датчик давления по п.1, термокорректор которого содержит операционный усилитель термокорректора, резисторы и термомост, причем один измерительный вывод термомоста через резистивный делитель соединен с прямым входом операционного усилителя термокорректора, а второй через резистор - с инверсным входом, отличающийся тем, что между инверсным входом и выходом усилителя термокорректора включен резистивный делитель, отвод которого является первым выводом термокорректора, а выход операционного усилителя термокорректора является вторым выводом термокорректора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8