4.3.2 Устройство и принцип работы датчика давления

4.3.2.1 Базовый корпус, кристалл

Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы датчиков давления. Кремниевые датчики давления фирмы Motorola изготавливают двух видов: дифференциальные и абсолютные. Базовые корпуса датчиков абсолютного и дифференциального давлений идентичны (смотри рис. 4.12).

Рис. 4.12. Поперечные сечения базовых корпусов датчика абсолютного давления и дифференциального/относительного давления

Рассмотрим устройство базового корпуса подробнее (смотри рис. 4.13).

Рис. 4.13. Поперечные сечения базового корпуса датчика дифференциального давления

Основным элементом датчика давления является кристалл, на котором расположена кремниевая диафрагма с чувствительным элементом - имплантированной тензорезистивной цепочкой - X-ducer. Разница между кристаллами датчиков дифференциального и абсолютного давления заключается в том, что у последнего нет отверстия в нижней - герметизирующей кремниевой пластине и полость, сформированная углублением, вытравленным в верхней пластине, и нижней пластиной содержит вакуум – опорное давление (смотри рис. 4.14). Кремниевый гель изолирует поверхность кристалла и соединительные проводники от повреждения твердыми частицами, которые могут оказаться в среде, передающей давление на диафрагму,

Рис. 4.14. Кристалл датчика абсолютного давления

Кристалл датчика давления серии МРХ расположен на кремниевом кристаллодержателе, который приклеен к корпусу датчика. Внутренняя полость заполнена кремнийорганической жидкостью - компаундом. Пластмассовый корпус закрыт крышкой из нержавеющей стали. В корпус впресованы внешние выводы, которые с помощью золотых проволочек соединяются с рамкой выводов 1-4 кристалла датчика давления.

4.3.2.2 Чувствительный элемент датчика X-ducer

4.3.2.2.1 Конструкция и физическая основа функционирования

Функционирование чувствительного элемента микромеханического датчика давления основывается на тензорезистивном эффекте.

Определение: Тензорезистивный эффект - изменение удельного электросопротивления твёрдого проводника (металла, полупроводника) в результате его деформации. Величина относительного изменения компонент тензора электросопротивления связана с тензором деформации через тензор четвёртого ранга : .

Определение: На практике пользуются понятием тензочувствительности , где  — относительное изменение длины образца под действием приложенной нагрузки в определённом направлении,  — относительное изменение удельного электросопротивления вдоль этого направления. В металлах порядка единицы, в полупроводниках (например, в Ge и Si) в десятки и сотни раз больше.

Тензорезистивный эффект связан с изменением межатомных расстояний при деформации, что влечёт за собой изменение структуры энергетических зон кристалла. Последнее обусловливает изменение концентрации носителей тока (электронов проводимости, дырок), их эффективной массы, перераспределение их между энергетическими максимумами в зоне проводимости и минимумами в валентной зоне. Кроме того, деформация влияет на процессы рассеяния носителей (появление новых дефектов, изменение фононного спектра). Тензорезистивный эффект применяется в тензодатчиках сопротивлений, служащих для измерения деформаций.

Почти все фирмы, производя­щие датчики давления строят первичный пре­образователь «давление-напряжение» по традицион­ной схеме моста Уинстона, имеющей несколько недо­статков:

• схема имеет 4 подбираемых резистора;

• необходима их подстройка ucer;

• необходимы сложные схемы температурной компенсации.

Эти недостатки сподвигнули фирму Motorola ве­сти активный поиск аль­тернативного решения, ко­торый и увенчался разра­боткой принципиально но­вого решения, которое впоследствии было запа­тентовано, и носит торго­вую марку X-ducer. Элемент X-ducer (смотри рис. 4.15), названный так из-за х-образной формы преобразователя, представляет собой кремни­евую диафрагму, на которую методом ионной имплан­тации внедрена х-образная тензорезистивная структу­ра. Элемент развивает на выходе напряжение, прямо пропорциональное приложенному давлению и имеет очень высокие показатели линейности, повторяемос­ти, воспроизводимости, чувствительности и отношения сигнал/шум. Одна пара выводов служит для подачи напряжения питания, а со второй снимается разность потенциалов, линейно за висящая от напряжения питания (пропорциональный выход) и приложенного давления (усилия).

Датчик реализован с использованием технологии MEMS, что позволило получить точный, качественный аналоговый выходной сигнал пропорциональный прилагаемому давлению.