42.Тензорезистивные кремниевые датчики. Характеристики и параметры мостовых тензорезисторных преобразователей давления.

Обычно такой датчик изготавливают из кремние­вой пластины, часть которой вытравливают до образования тонкой мем­браны. Методом ионной имплантации на мембране выполняют резистив­ные элементы с межсоединениями. При изменении давления мембрана прогибается, и под действием пьезорсзистивного эффекта происходит из­менение сопротивления резистивных элементов. Толщина мембраны, как и геометрическая форма резисторов, определяется областью допустимых давлений. Преимуществами широко распространенных датчиков этого ти­па являются: высокая чувствительность; хорошая линейность; незначительные гистерезисные явления; малое время срабатывания; компактная конструкция; экономичная планарная технология изготовления. Недостаток, заключающийся в повышенной температурной чувстви- тельности, можно в большинстве случаев скомпенсировать. Область применения датчиков давления определяется возможным диапазоном измеряемых давлений. Поскольку в этом случае максимальное выходное напряжение со­ставляет лишь 0.1 В, для дальнейшей обработки сигнала его нужно уси­лить еще примерно до 1 В. Такое десятикратное усиление по напряжению с помощью стандартных операционных усилителей (741, LM358 и т.п.) не составляет проблемы, а поэтому согласование сигнала с измерительным прибором осуществляется легко. Для измерений с повышенной точностью следует дополнительно компенсировать температурную погрешность дат­чиков. Характеристики и параметры мостовых тензорезисторных преобразователей давления: В тензопреобразователях (ТП) чаще всего используется мостовая схема из тензорезисторов. За счет соответствующего располо­жения на мембране тензорезисторы R1 и R4 обладают одним знаком тен­зочувствительности, a R2 и R3 - противоположным. Общую точку рези­сторов R2 и R4 можно объединить с выводом подложки ИМС преобразо­вателя . Преобразовательную характеристику, представляющую собой зави­симость выходного напряжения мостовой схемы и_Вых от приложенного к мембране избыточного давления q, для двух значений температуры Т₀ и Ti (рис. 2.16 б) определяют следующие параметры: Начальный разбаланс Uo - выходное напряжение тензорезистор- ной схемы при нулевом давлении (q=0) и температуре Т₀. Разбаланс вы­зван технологическим разбросом номиналов тензорезисторов, полученных в процессе изготовления ТП, а также начальной деформацией чувстви­тельного элемента (ЧЭ). При разбросе номиналов 1 % и напряжения пита­ния моста Еп в несколько вольт разбаланс составит, в худшем случае, не­сколько десятков процентов номинального выходного сигнала. 2.Диапазон линейного преобразования Aq - область давлений, в ко­торой выходной сигнал мостовой схемы Urhix линейно (с определенной степенью точности)зависит от значения q: где q'noM, q'noM - номинальные диапазоны линейного преобразования по­ложительного и отрицательного избыточных давлений соответственно. Различные ТП имеют разные диапазоны линейного преобразования, которые изменяются в очень широких пределах от единиц кПа до сотен МПа. Нелинейность преобразовательной характеристики определяется не­сколькими причинами, которые условно можно разбить на три категории: а) нелинейность преобразования давления в механические напряжения; б) нелинейность пьсзорезистивного эффекта; в) нелинейность измерительной электрической схемы. 3.Сдвиг преобразовательной характеристики q₀ обусловлен в разли­чиях диапазона q'_H0M и q"noM линейного преобразования положительного и отрицательного давления. В свою очередь, указанное различие объясняет­ся, во-первых, различной нелинейностью при подаче избыточного давле­ния с разных сторон мембраны, во-вторых, начальной деформацией мем­браны при нулевом давлении (q=0) и нормальной температуре (Т=Т₀). 4. Чувствительность ТП So (при температуре Т₀). Определяется как отношение приращения выходного сигнала к приращению приложенного давления, отнесенное к напряжению питания мостовой схемы. 5.Температурный дрейф нуля 8U_mo (%/град) - приращение выходно­го напряжения в отсутствии приложенного давления, отнесенное к номи­нальному значению выходного сигнала ивых. ном, при изменении темпера­туры на 1 °С. 6.Температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) % (% /град) относительное изменение чувствительности при изменении температуры на ГС. Таким образом, реально существующие погрешности ТП определя­ются принципом работы и технологией изготовления. Поэтому для созда­ния унифицированных датчиков, обеспечивающих полную взаимозаме­няемость при установке в различные агрсгатированныс комплексы и сис­темы. необходима настройка следующих параметров: напряжения Uo (балансировка мостовой схемы); номинального выходного напряжения (градуировка); дрейфа нуля в заданном диапазоне температуры; изменения чувствительности преобразователя с температурой.