преобразователь давления

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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: , при которой давление определяется формулой:

где

u₁ - выходное напряжение инструментального усилителя,

K _p - коэффициент его передачи по давлению, а

K_t - коэффициент температурной зависимости u₁ .

u₂ - выходное напряжение сумматора,

- его коэффициент передачи по давлению, а

- его коэффициент температурной зависимости.

Для предложенной схемы характерна нижеследующая зависимость:

Причем , а , откуда следует

Из этих уравнений и следует формула для вычисления давления. Коэффициенты , определяются при единичном коэффициенте передачи сумматора, а затем он устанавливается равным .

На рисунке 1 обозначено:

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

2 - инструментальный усилитель,

3 - сумматор потенциалов ₁ и ₂,

4 - операционный усилитель.

Преобразователь реализует функцию уменьшения температурной погрешности ухода «0» за счет применения сумматора потенциалов ₁ и ₂. При воздействии на кристалл давления, потенциал ₁ уменьшается, а ₂ - 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 ₁ и ₂ 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 ₁ и ₂ становится существенной.

Канал сумматора, наоборот, при воздействии на кристалл давлением, сумма потенциалов ₁ и ₂ не изменяется или изменяется очень слабо. При воздействии же температуры сумма потенциалов ₁ и ₂ 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 , а соотношение , 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 ₁ и ₂. 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.