Преобразователь давления



Преобразователь давления
Преобразователь давления

 


Владельцы патента RU 2502970:

Куролес Владимир Кириллович (RU)

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке полупроводниковых датчиков давления, выполненных по технологии МЭМС (микроэлектромеханические системы). Преобразователь давления содержит кремниевую мембрану с тензоизмерительным мостом, последовательно соединенным с транзистором, подключенными к источнику постоянного напряжения. Выходная диагональ тензомоста соединена с входом инструментального усилителя, выход которого подключен к первому входу усилителя коррекции температурной погрешности. Ко второму входу усилителя коррекции подключен сумматор, первые два входа которого соединены через резистор и диод со средними точками измерительного тензомоста. Третий вход через резистор подключен к источнику смещения напряжения сумматора. Техническим результатом является устранение температурной погрешности в преобразователе. 1 ил.

 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке полупроводниковых датчиков давления, выполненных по технологии МЭМС (микроэлектромеханические системы).

Известен преобразователь давления, который содержит мембрану из монокристаллического кремния, на которой сформированы 4 тензорезистора, которые включены в измерительный мост. Измерительный мост последовательно соединен с опорным резистором, и они подключены к источнику питания, управляемый вход которого подключен к дифференциальному усилителю. Вход этого усилителя соединен с выходом дополнительного моста, образованного последовательной цепочкой тензомоста с указанным резистором и делителем напряжения из двух дополнительных резисторов. В этом преобразователе тензорезисторы выполняют функции и измерителя давления, и измерителя температуры и нагревательного элемента. Последняя функция обеспечена регулировкой тока через измерительный мост такой, чтобы выходное напряжение дополнительного моста оставалось стабильным. При этом температура кристаллической мембраны также стабилизируется.

Такой преобразователь описан в журнале «Измерительная техника» №11 за 1982 г., стр.35. Недостатком преобразователя является невозможность обеспечения термостабилизации в широком диапазоне температур.

Этот недостаток устранен в преобразователе по патенту RU №2036445, который и принят за прототип. В этом преобразователе также измерительный мост включен в плечо дополнительного моста, вход которого соединен с выходом регулируемого источника питания. Отличие схемы от вышеописанной заключено в том, что кристаллическая мембрана не термостатируется, а напряжение питания измерительного моста регулируется так, что коэффициент термочувствительности коэффициента чувствительности (ТКЧ) по давлению уменьшается до 0. Это обеспечено положительной обратной связью с выхода дополнительного моста. При этом измерительный мост также несет информацию о температуре, кроме информации о давлении. Причем входное напряжение тензомоста слабо зависит от давления и сильно зависит от температуры. Это и используется для компенсации ухода 0.

Недостатком преобразователя-прототипа является необходимость определения ТКЧ каждого кристалла и настройка источника питания в соответствии с этим ТКЧ и температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) тензорезисторов.

Предлагаемое изобретение и направлено на устранение этого недостатка.

Частично этот недостаток устранен в преобразователе на базе кристалла, в котором на мембране, кроме тензомоста, выполнен транзистор, последовательно соединенный с тензомостом. Включение этой схемы на выход стабилизатора напряжения обеспечивает стабильный ток через тензомост. За счет этого исключается влияние на коэффициент передачи температуры (ТКЧ→0). Однако при этом увеличивается погрешность от температуры ухода начального напряжения (уменьшили мультипликативную погрешность - увеличилась аддитивная и, наоборот, при смене источника напряжения на источник тока моста).

Целью предложенной схемы преобразователя давления является устранение температурной погрешности в преобразователе, выполненном на кристалле с тензомостом и стабилизатором тока.

Указанная цель достигается подключением к выходной диагонали измерительного тензомоста, кроме инструментального усилителя, который вычитает потенциалы выходной диагонали, также и сумматора этих потенциалов. Последний выполнен с помощью двух диодов, каждый из которых анодом соединен с соответствующим узлом выходной диагонали измерительного тензомоста, а катодами они подключены к резисторам сумматора так, что на выходе сумматора обеспечивается сумма потенциалов выходной диагонали моста. Кроме этого организован третий вход сумматора для начального смещения сумматора, и коэффициент передачи сумматора выполнен настраиваемым.

Компенсация температурного ухода «0» (начального смещения) обеспечивается вычитанием выходных напряжений инструментального усилителя и описанного сумматора, реализованным на операционном усилителе, входами подключенным к выходам инструментального усилителя и сумматора. Настройка коэффициента передачи сумматора производится из условия: K Σ = K t ' K t , при которой давление определяется формулой:

P = u 1 u 2 K t K t ' K p ( 1 K t K p ' K t ' K p )

где

u1 - выходное напряжение инструментального усилителя,

Kp - коэффициент его передачи по давлению, а

Kt - коэффициент температурной зависимости u1.

u2 - выходное напряжение сумматора,

K p ' - его коэффициент передачи по давлению, а

K t ' - его коэффициент температурной зависимости.

Для предложенной схемы характерна нижеследующая зависимость:

u 1 = K p P + K t Δ t

u 2 = K p ' P + K t ' Δ t

Причем K p > > K p ' , а K t ' > > K t , откуда следует

K t K p ' K t ' K p < < < 1

Из этих уравнений и следует формула для вычисления давления. Коэффициенты K t ' , K p ' определяются при единичном коэффициенте передачи сумматора, а затем он устанавливается равным K t ' K t .

На рисунке 1 обозначено:

1 - тензометрированный кристалл с транзистором, который обеспечивает существенное уменьшение ТКЧ,

2 - инструментальный усилитель,

3 - сумматор потенциалов φ1 и φ2,

4 - операционный усилитель.

Преобразователь реализует функцию уменьшения температурной погрешности ухода «0» за счет применения сумматора потенциалов φ1 и φ2. При воздействии на кристалл давления, потенциал φ1 уменьшается, а φ2 - увеличивается. Инструментальный усилитель вычисляет разность этих потенциалов и усиливает ее. Поэтому этот канал является чувствительным к давлению. При воздействии температуры все резисторы тензомоста увеличиваются и поэтому потенциалы φ1 и φ2 изменяются почти одинаково. Поэтому этот канал от температуры зависит слабо. Его температурная зависимость определяется только начальным смещением и входным напряжением моста, которое изменяется с температурой так, что ток через мост остается постоянным. Однако будучи усиленным инструментальным усилителем, разность потенциалов φ1 и φ2 становится существенной.

Канал сумматора, наоборот, при воздействии на кристалл давлением, сумма потенциалов φ1 и φ2 не изменяется или изменяется очень слабо. При воздействии же температуры сумма потенциалов φ1 и φ2 удваивается и является существенно зависимой от температуры, поскольку при этом изменяется напряжение моста.

Можно считать, что этот канал несет информацию о температуре тензомоста, его сигнал и компенсирует уход «0» на выходе инструментального усилителя. Так, для ЧЭД5, выпускаемых. Технологическим центром МИЭТ (Зеленоград), соотношение K p ' K p = 0,012 , а соотношение K t ' K t 2 , что и позволяет применить эту схему, не уменьшая чувствительности по давлению.

Если сравнивать предложенную схему со схемами коррекции, основанными на измерении температуры кристалла с помощью размещаемых на кристалле тензорезисторов (как это делается в НИИФИ г.Пенза), то можно отметить следующее: терморезистор несет информацию о температуре мембраны, однако тензорезисторы имеют температуру, отличную от температуры терморезистора. Тогда как в предложенной схеме измеряется средняя температура всех четырех тензорезисторов с помощью суммирования потенциалов φ1 и φ2. В схемах НИИФИ достигается термокоррекция в узком диапазоне температур, в предложенной схеме - в более широком диапазоне температур. Причем термокоррекция предложенная не требует применения контроллеров, а реализуется на операционных усилителях (смотри, например, статью Е. Слива «Коррекция по температуре измерительных преобразователей физических величин на базе микроконтроллера MSP 430 F149 фирмы Texas Instrument», в Интернете catalog.qaw.ru).

Влияние сумматора на потенциалы моста в данной схеме исключено за счет применения диодов и существенно меньших сопротивлений моста, чем входные сопротивления сумматора. Следует также отметить, что предложенная схема термокоррекции выполнит свою функцию при ее применении для коррекции температуры преобразователей полупроводниковых, у которых на мембране размещен только тензомост без транзистора. При этом необходимо только тензомост питать стабильным током, подключая его к стабилизатору тока. Тогда его ТКЧ стремится к 0, а увеличение смещения «0» компенсирует предложенная схема на основе сумматора потенциалов средних точек тензомоста.

Тем самым показано ее широкое применение, а новизна заключена в измерении изменения суммы потенциалов средних точек тензорезисторного моста, реализованное сумматором и двумя диодами.

Преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану с тензоизмерительным мостом, последовательно соединенным с транзистором, подключенными к источнику постоянного напряжения, причем выходная диагональ тензомоста соединена с входом инструментального усилителя, выход которого подключен к первому входу усилителя коррекции температурной погрешности, отличающийся тем, что ко второму входу усилителя коррекции подключен сумматор, первые два входа которого соединены через резистор и диод со средними точками измерительного тензомоста, а третий вход через резистор - с источником смещения напряжения сумматора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. В способе измерения давления с использованием тензорезисторного датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС), в режиме измерения значение измеренного давления Pi вычисляют путем бигармонической сплайн интерполяции по контрольным точкам, исходя из сохраненного на этапе калибровки вектор-столбца W(Pэ, Uiz, Upt, X1…Xn) по формуле: Pi=GT×W, где GT - транспонированный вектор-столбец G; символ «×» обозначает матричное произведение.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной пенью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давлений измерительными устройствами, построенными на базе тензорезисторных мостов.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления жидких и газообразных средств. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных агрессивных сред в условиях воздействия нестационарных тепловых полей.

Изобретение относится к измерительным приборам и может быть использовано для измерения малых величин абсолютных давлений. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования. Технический результат: повышение временной стабильности, ресурса, срока службы. Способ изготовления тензорезисторного датчика давления заключается в полировании поверхности мембраны, формировании на ней диэлектрической пленки и тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними с использованием шаблона тензочувствительного слоя, присоединении выводных проводников к контактным площадкам в областях, удаленных от полос участков. После присоединения выводных проводников к контактным площадкам тензоэлементов мембрану НиМЭМС последовательно подвергают циклическому воздействию тестовых значений измеряемого давления Pj, равномерно распределенных от нижнего Р0 до верхнего предела РH и от верхнего РH до нижнего P0 предела измерения датчика при одновременном измерении его выходного сигнала и напряжения питания в каждой точке градуирования, вычисляют по ним критерий временной стабильности по соотношению: 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в жидких и газообразных агрессивных средах. Датчик абсолютного давления содержит корпус со штуцером, герметизирующую контактную колодку, металлическую мембрану, несжимаемую жидкость, полупроводниковый чувствительный элемент, состоящий из стеклянного основания и квадратного профилированного полупроводникового кристалла, в центре тонкой части которого сформирован жесткий центр квадратной формы, на рабочей части полупроводникового кристалла сформирована мостовая измерительная цепь, состоящая из четырех тензорезисторов. Размер жесткого центра определяется из соотношения: l ж . ц . > h ж . ц . / 1,432 . Центры одних тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенном из соотношения Центры других тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные отрицательные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенном из соотношения 7 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Полупроводниковый преобразователь давления содержит мембрану с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов. Мембрана имеет толщину, равную высоте тензорезисторов, поверхность которых покрыта слоем двуокиси кремния. Тензорезисторы сформированы на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполнены из кремния. Тензорезисторы объединены с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему. Слой двуокиси кремния расположен под тензорезисторами и коммутационными шинами. Поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта изолирующим слоем нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов. На периферии мембраны расположена схема температурной компенсации, состоящая из терморезисторов, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки для включения в мостовую схему. Техническим результатом является повышение точности преобразователя в диапазоне высоких температур. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем (НиМЭМС), предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования. Способ изготовления заключается в полировании поверхности мембраны, формировании на ней диэлектрической пленки и тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними с использованием шаблона тензочувствительного слоя, имеющего конфигурацию тензоэлементов в зонах, совмещаемых с низкоомными перемычками и контактными площадками. При этом формирование тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними проводят в областях, в которых воздействующие на них при эксплуатации деформации и температуры удовлетворяют соответствующему соотношению. После формирования измеряют размеры и площадь элементов и переходов НиМЭМС с учетом количества, размеров и распределения дефектов, затем вычисляют по ним критерий временной стабильности по соответствующему соотношению. Если критерий временной стабильности меньше, чем предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. Технический результат заключается в повышении временной стабильности, ресурса и срока службы. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления жидких и газообразных сред. Заявленная группа изобретений включает способ измерения давления с использованием тензорезисторного датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) и интеллектуальный датчик давления на основе НиМЭМС. При этом в способе измерения давления, в режиме калибровки и измерения одновременно регистрируют данные напряжений между узлами питающей диагонали Upt, между одним узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали (Uiz1, Uiz2). В режиме калибровки сохраняют данные для вычисления напряжений Uiz1, Uiz2, а в режиме измерения вычисляют измеренное значение давления Р исходя из напряжений питающей диагонали Upt и измерительной диагонали Uiz=Uiz1-Uiz2 и сохраненных на этапе калибровки данных. Затем вычисляют напряжения между узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали, исходя из величины измеренного значения давления Р, напряжения питающей диагонали Upt и сохраненных на этапе калибровки данных, определяют разницу между вычисленными и измеренными значениями напряжений Uiz1, Uiz2. Если эта разница превышает значение критерия стабильности, то принимается решение о недостоверности результата измерения давления. Интеллектуальный датчик давления на основе НиМЭМС, реализующий предлагаемый способ измерения давления, содержит мостовую измерительную цепь из тензорезисторов, источник тока, три аналого-цифровых преобразователя, вычислительное устройство, постоянное запоминающее устройство и цифровой интерфейс, причем вычислительное устройство блока самоконтроля, второй, третий и четвертый входы которого соединены с первым, вторым и третьим выходами блока преобразования кода АЦП в численное значение напряжения, а пятый вход соединен с четвертым входом вычислительного устройства. Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности результата измерения путем введения самоконтроля датчика и осуществления проверки достоверности измерения давления за счет сравнения измеренных и вычисленных значений напряжений между одним узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали. Техническим результатом изобретения является повышение надежности результата измерения путем введения самоконтроля датчика и осуществления проверки достоверности измерения давления за счет сравнения измеренных и вычисленных значений напряжений между одним узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионных измерений давления жидких и газообразных сред. Сущность: датчик содержит корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента в виде мембраны с жестким центром, заделанной по контуру в опорное основание, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, герметизирующей контактной колодки и соединительных проводников. Сформированные в гетерогенной структуре радиальные тензорезисторы, установленные по двум окружностям, состоят из идентичных тензоэлементов в форме квадратов, соединенных тонкопленочными перемычками и включенных в мостовую измерительную цепь. Центры первых и вторых тензоэлементов размещены по окружностям с радиусами, определенными по соответствующим соотношениям. Между мембраной и жестким центром, а также мембраной и опорным основанием выполнены закругления с определенным радиусом. Технический результат: повышение точности и технологичности. 1 табл., 9 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения давления при автоматизации контроля технологических процессов. Техническим результатом изобретения является уменьшение температурной погрешности и повышение быстродействия. Технический результат достигается тем, что в датчике давления выходы источника стабилизированного питания сенсорного моста соединены с входами АЦП и сенсорного моста, выходы сенсорного моста соединены с входами нормирующего усилителя. Выход сумматора соединен с входом нормирующего усилителя, выход нормирующего усилителя соединен с входом ЦАП1, выход которого соединен с входом безынерционного устройства компенсации основной погрешности, а его выход - с входом формирователя выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения. Один выход формирователя выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения соединен с входом источника стабилизированного питания сенсорного моста, второй выход соединен с входом ЦАП2 и вторым входом АЦП, а третий выход формирователя выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения соединен со вторым входом сумматора. Выход АЦП соединен с входом микроконтроллера, выходы которого соединены со вторыми входами ЦАП1 и ЦАП2. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Полупроводниковый преобразователь давления содержит мембрану с утолщенным периферийным основанием. Мембрана имеет толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое. Тензорезисторы объединены с помощью коммутационных шин, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, в мостовую измерительную схему. Мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров. Мембрана и тензорезисторы выполнены из поликристаллического алмаза одного типа проводимости, а закрепленный на мембране слой выполнен из поликристаллического алмаза другого типа проводимости. Техническим результатом изобретения является расширение температурного диапазона измерений и уменьшение температурной погрешности. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к преобразователям малых давлений и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Сущность: полупроводниковый преобразователь давления содержит упругий элемент (1), выполненный из кремния с поверхностью, покрытой изолирующим слоем двуокиси кремния (2), на котором сформированы тензорезисторы (3) из поликристаллического кремния, объединенные при помощи коммутационных шин (4) в многоэлементную мостовую схему (5). Схема (5) содержит три измерительных моста, каждый из которых состоит из четырех тензорезисторов (6) одинакового номинала, и четыре дополнительных тензорезистора (7), номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов (6). Узлы измерительных диагоналей каждого моста последовательно соединены между собой, а дополнительные тензорезисторы (7) включены в цепи питания первого и третьего мостов таким образом, что они образуют разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам. Выходное напряжение схемы снимается с крайних узлов измерительной диагонали первого и третьего мостов. Технический результат: повышение точности и чувствительности преобразователя в диапазоне высоких температур. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления малогабаритных тонкопленочных датчиков механических величин, работоспособных в широком диапазоне температур. Изобретение позволяет расширить температурный диапазон работы датчика на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы, повысить воспроизводимость таких параметров тензорезисторов, как электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления (ТКС), снизить температурную чувствительность датчиков. Способ изготовления тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы высокотемпературного датчика механических величин заключается в том, что на планарной стороне упругого элемента методами вакуумного распыления образуют гетерогенную структуру из нано- и микроразмерных пленок материалов, содержащую тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные и контактные слои, формируют тензорезисторы, контактные проводники и контактные площадки к ним. Тензорезистивный слой формируют методом магнетронного распыления в вакуумной камере с одновременным использованием двух мишеней из никеля и титана. Упругий элемент со сформированным на нем диэлектрическим слоем устанавливают на карусель, нагревают, создают давление аргона, а затем вращают карусель с упругим элементом, при этом задают определенные плотности токов в зонах распыления мишеней. После этого упругий элемент выдерживают в вакууме при повышенной температуре. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх