4018

Автоматическая компенсация температурной зависимости дрейфа нуля и чувствительности в датчиках давления на КНС-структурах

Реферат

Производство и промышленные технологии

Введение Гетероэпитаксиальные слои кремния на сапфире (КНС) впервые были получены в середине 60-х годов XX в. и сразу привлекли к себе внимание как специалистов по полупроводниковому материаловедению, так и разработчиков твердотельных микросхем. В п...

Русский

2012-11-12

503 KB

53 чел.

Введение

Гетероэпитаксиальные слои кремния на сапфире (КНС) впервые были получены в середине 60-х годов XX в. и сразу привлекли к себе внимание как специалистов по полупроводниковому материаловедению, так и разработчиков твердотельных микросхем. В первую очередь это было связано с ожидаемым повышением быстродействия комплементарных структур металл-окисел-полупроводник (КМОП) на основе КНС, обусловленным сапфировой подложкой с высокими диэлектрическими свойствами, а также возможной высокой радиационной стойкостью микросхем на основе КНС. Эти ожидания вызвали большое количество работ по технологии выращивания слоев КНС, исследованию их структуры и электрических свойств [1]. Впрочем, последующее развитие КМОП-технологии на объемном кремнии позволило резко повысить быстродействие кремниевых микросхем, существенно снизив их стоимость по сравнению с относительно дорогими структурами КНС. Поэтому в настоящее время основным применением структур КНС в полупроводниковом приборостроении является разработка радиационностойких микросхем, где, по крайней мере в настоящее время, структурам КНС практически нет конкуренции (см., например, [2,3]), а также микросхем для оптоэлектрон-ных систем [4].

Однако практически сразу после начала серьезных разработок технологии КНС наметилось еще одно направление использования этих структур - тензорезисторные преобразователи (ТП) механических величин [5, 6]. Это направление было предложено и успешно развивалось в нашей стране сначала в НИИ Теплоприборе (г. Москва) и НИИ Измерительной техники (г. Королев), а затем в НПК "Ульяновский центр микроэлектроники и автоматизации в машиностроении" и промышленной группе (ПГ) "Микроэлектронные датчики" (ПГ МИДА, г. Ульяновск), ПГ Метран (г. Челябинск) и других предприятиях. На базе тензочувствительных элементов из КНС были разработаны и освоены в серийном производстве датчики давления "Кристалл" [7], измерительные комплексы "Сапфир" [8] и "Сапфир-22" , серия датчиков давления МИДА [1] и др.

По сравнению с широко используемыми твердотельными кремниевыми тензочувствительны-ми элементами с диффузионными или имплантированными тензорезисторами полупроводниковые чувствительные элементы (ПЧЭ) на основе КНС имеют ряд преимуществ [1,2]. Во-первых, в ПЧЭ на основе КНС отсутствует /т-и-переход, изолирующий тензорезисторы от подложки в твердотельных ПЧЭ, что позволяет в десятки раз повысить пробивное напряжение датчиков и в несколько раз увеличить рабочую температуру ПЧЭ. Во-вторых, однородное легирование слоя кремния позволяет эффективно управлять характеристиками ПЧЭ и приборов на их основе. В-третьих, наличие прочной изолирующей подложки значительно расширяет возможности совершенствования тензочувствительной схемы и характеристик ТП. В-четвертых, структуры КНС (и ПЧЭ на их основе) обладают высокой радиационной стойкостью. Немаловажным является и то обстоятельство, что технология изготовления преобразователей механических величин с ПЧЭ на основе КНС практически не требует чистых условий твердотельного производства. В целом применение структур КНС в тензопреобразова-телях оказалось настолько удачным, что, например, в абсолютном большинстве датчиков давления, выпускаемых в настоящее время в России, используются тензочувствительные элементы на основе структур КНС [3-5]. В последнее время структуры КНС начали использоваться в датчиках давления и зарубежными фирмами [6-8].

В данном обзоре кратко рассмотрены особенности структур КНС, обеспечившие их широкое применение в тензопреобразователях механических величин, характеристики современных отечественных датчиков давления на основе КНС и перспективы дальнейшего развития ТП с использованием чувствительных элементов из КНС.

2. ЭЛЕКТРОФИЗИКА СТРУКТУР КНС

Структуры КНС представляют собой тонкие (0.1-5 мкм) слои монокристаллического кремния, выращенные (обычно разложением моносилана) на монокристаллическом лейкосапфире (А12О3) [1]. Так как сапфир и кремний имеют разную кристаллическую структуру, то монокристаллические слои кремния растут лишь при определенных кристаллографических ориентациях подложки [1]. Наиболее широко используются в электронной промышленности (и одновременно более всего пригодны для тензочувствительных элементов [2]) структуры с кристаллографической ориентацией

<001)Si/(ll02)Ai2o3. Наилучшими характеристиками для тензорезисторов обладают (как и в твердотельных ПЧЭ) сильнолегированные слои кремния р-типа проводимости (р > 1018 см"3).

Характерными особенностями структур КНС, определяющими электрофизические характеристики слоя кремния , являются: легирование слоя кремния при наращивании алюминием из подложки; дефектность слоя кремния; большие термические напряжения в структурах. При пиролизе моносилана в результате взаимодействия сапфира с компонентами газовой смеси (SiH4: Н2) происходит выделение окиси алюминия или свободного алюминия. Алюминий, будучи мелким акцептором, загрязняет растущий слой кремния, особенно на начальной стадии. Однако поскольку кремниевые тензорезисторы обычно изготавливаются из сильнолегированного кремния р-типа, то сравнительно невысокая концентрация алюминия (NM ~ 1015 см~3) практически не влияет на характеристики кремниевого слоя.

Различие в типах и постоянных кристаллических решеток сапфира и кремния, разориентация зародышей кремния при росте слоя и релаксация термических напряжений обусловливают высокую дефектность слоя кремния, особенно вблизи границы с сапфиром (рис. 1). В результате подвижность носителей в слоях КНС ниже, чем в объемном кремнии (рис. 2). Однако в сильнолегированных слоях КНС подвижность практически не зависит от толщины d слоя кремния (вплоть до d ~ 0.15 мкм) (рис. 3), что свидетельствует о незначительном вкладе рассеяния на дефектах в полную подвижность дырок. Это означает, что для сильнолегированного /?-КНС (при условии хорошо отработанной технологии выращивания слоя кремния) существует однозначная зависимость удельного сопротивления от концентрации дырок, аналогичная хорошо известной для объемного кремния (рис. 4).

Рис.1. Зависимость линейной плотности дефектов в слое КНС от расстояния до границы кремний-сапфир; N[) < 10 см при d > 4 мкм (предел разрешения метода) .

Рис.2. Зависимость подвижности дырок в р-КНС от концентрации носителей тока при комнатной температуре [5]. Толщина слоя кремния d, мкм: d < 1 (7); 1 < d < 2 (2); d > 2 (5); значения (4) взяты из [26] (d = = 2 мкм); данные для объемного кремния (5) взяты из .

Рис.3. Температурная зависимость подвижности дырок в КНС с толщиной слоя кремния 4.5 (1) и 0.15 мкм (2); р = 6.0 х 1018 см"3, р = 0.017 Ом см .

Рис.4. Зависимость удельного сопротивления КНС р-типа проводимости от концентрации дырок при комнатной температуре; толщина слоя кремния d, мкм: d<l (l);l <d<2 (2); d > 2 (3); данные для однородного легированного кремния (4) взяты из.

Поскольку лейкосапфир имеет коэффициент теплового расширения почти вдвое больше, чем кремний (рис. 5), то в структурах КНС возникают большие термические напряжения, неоднородные по толщине слоя кремния d и сапфировой подложки D (рис. 6). Чисто механически термические напряжения в КНС проявляются в изгибе структуры; измерения радиуса кривизны позволяют непосред ственно определить величину средних термических напряжений т0 в кремнии [33], которая составила (4...6) х 108 Па, что хорошо согласуется с расчетом. При увеличении толщины слоя кремния до величины d/D > 0.4 напряжения в сапфировой подложки возрастают настолько, что в интервале температур 11ОО...9ОО°С происходит пластическая деформация сапфира и изгиб структуры КНС становится больше расчетного . Изгиб структур КНС затрудняет их наращивание, приводит к неоднородности слоя кремния и к браку при фотолитографии, поэтому для получения вы сококачественных структур необходимо использовать достаточно толстую подложку (d/D < 0.01). Термические напряжения искажают зонную структуру кремния и влияют на его электрофизические характеристики . Поскольку в структурах КНС термические напряжения в сплошном слое кремния практически однородны и изотропны, то в р-КНС они почти не влияют на подвижность дырок и, как следствие, на удельное сопротивление кремния. Вместе с тем из-за нелинейности тензорезистивного эффекта термическое сжатие слоя кремния изменяет температурную зависимость коэффициента тензочувствительности ПЧЭ . Сильное влияние термические напряжения оказывают на свойства узких кремниевых тензоре-зисторов, имеющих вид мезаструктур (см. ниже).

Экспериментальные исследования показали, что температурная зависимость удельного сопротивления р однородного сплошного слоя кремния в сильнолегированных структурах р-КНС хорошо описывается экспоненциальным законом

  р(Г) = роехр(арТ),      

где сср - дифференциальный температурный коэффициент удельного сопротивления кремния, сохраняющий постоянное значение в широком интервале температур при определенных уровнях легирования .

Рис 5. Расчетные термические напряжения в сапфировой подложке (на границе с кремнием (7) и на свободной поверхности (2)) и в слое кремния (на свободной поверхности (3) и на границе с сапфиром (4)) в зависимости от отношения толщин слоя кремния d и подложки D.

Рис.6. Зависимость коэффициентов эластосопротивления р-КНС от концентрации дырок при комнатной температуре.

3. ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОРРЕКЦИЯ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КНС

Как и для других полупроводниковых тензопреобразователей (ТП), температурная зависимость выходного сигнала в ТП на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире» (КНС) [1] является главным источником дополнительной погрешности преобразования. В датчиках давления уменьшение температурной погрешности достигается раздельной коррекцией температурной зависимости выходного сигнала ТП и температурной зависимости параметров электронной схемы преобразования сигнала. Такой подход позволяет значительно уменьшить трудоемкость изготовления датчиков в серийном производстве, а также выпускать ТП давления как самостоятельные средства измерения, которые все более широко используются в системах измерений и контроля.[1]

В наши дни существуют достаточно методов и авторов этих методов, которые предлагают свои способы термокоррекции.

Основная цель термокоррекции тензорезисторных мостовых схем - уменьшение аддитивной температурной погрешности(АТП). Это достигается изменением относительных температурных характеристик плеч данного моста путем использования дополнительных термонезависимых постоянных резисторов, включаемых последовательно или параллельно к имеющимся терморезисторам. [9]

Известны еще два способа схемной компенсации АТП мостовой схемы. Они заключаются в выравнивании температурного коэффициента сопротивления резисторов расположенных в плечах мостовой измерительной цепи(МИЦ), либо параллельным подключением термонезависимого резистора, либо последовательным подключением термозависимого резистора в одно из плеч МИЦ с одновременной балансировкой начального выходного сигнала для обоих способов.

Однако использование данных способов при настройке датчиков не обеспечивает требуемые точности компенсации АТП.[10]

Как известно, аддитивная составляющая температурной погрешности датчика, обусловленная температурным дрейфом начального разбаланса мостовой схемы, определяется разбросом ТКС входящих в нее тензорезисторов. Пассивные схемы термокомпенсации включаются в плечи моста пассивных элементов( постоянных резисторов, термисторов и т.д.), что помогает обеспечить необходимое значение ТКС компенсационной цепи и одновременно балансировку моста.[11]

В настоящей работе рассматриваются различные методы коррекции температурной погрешности ТП давления на основе структур КНС, используемые при серийном производстве в Промышленной группе МИДА. При этом следует различать аддитивную и мультипликативную составляющие температурной погрешности, поскольку они имеют различное происхождение и вносят разный вклад в суммарную температурную погрешность.

Аддитивная составляющая (температурный дрейф начального сигнала), определяемая разностью температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) тензорезисторов в смежных плечах моста, в ТП на основе КНС в основном связана с температурными напряжениями сапфировой подложки, возникающими из-за разности коэффициентов температурного расширения сапфира и титана. Эта составляющая (по абсолютной величине) не зависит от выходного сигнала ТП, так что ее вклад тем больше, чем меньше чувствительность ТП к измеряемому давлению.

Мультипликативная составляющая (температурный дрейф чувствительности) связана с температурной зависимостью коэффициента тензочувствительности ТП и упругих параметров титана и сапфира; ее относительная величина не зависит от выходного сигнала ТП.

Для коррекции температурной погрешности ТП на основе КНС используются два метода – физико-технологический [3] и схемотехнический. Физико-технологический метод давно и успешно используется при питании тензомоста ТП постоянным током. Обычно такое питание ТП применяется в датчиках давления с унифицированным выходным сигналом, например, в сериях Сапфир-22, Метран и их модификациях; питание постоянным током использовалось и в датчиках МИДА-01П, выпускаемых ПГ МИДА [2], Однако, самостоятельные ТП давления, как правило, питаются от источника напряжения. За рубежом такие ТП давно и широко используются в системах контроля и управления, а в последнее время такие ТП используются и отечественными потребителями. В этом случае для эффективной коррекции температурной погрешности выходного сигнала приходится использовать дополнительно схемотехнический метод. Питание ТП постоянным напряжением используется также в датчиках давления МИДА-12П и МИДА-13П. Cхемотехническая коррекция осуществляется с помощью постоянных резисторов, не зависящих от температуры. Это позволяет устанавливать эти резисторы в любом месте датчика (как правило, на печатной плате электронного преобразователя сигнала), не заботясь о равенстве температур ТП и корректирующих элементов.

Поскольку методы температурной коррекции ТП при питании от источника тока и от источника напряжения существенно различаются, то целесообразно рассмотреть их раздельно и сравнить эффективность этих методов.

4. ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОРРЕКЦИЯ ТП ПРИ ПИТАНИИ ТОКОМ

Возможности физико-технологического метода коррекции аддитивной составляющей температурной погрешности ТП при питании от источника тока связаны с особенностями топологии тензосхемы, в которой кроме тензорезисторов включены элементы балансировки замкнутого тензомоста, позволяющие разрывом перемычек изменять начальный выходной сигнал моста практически без изменения ТКС его плеч [4]. В этом случае можно установить такой начальный выходной сигнал ТП, что его величина не будет зависеть от температуры [5]. Величина этого сигнала Uoопт определяется следующим образом. При питании ТП постоянным напряжением измеряются значения начального выходного сигнала Uo при двух температурах: Uo(T1) и Uo(T2); одновременно измеряются значения сопротивления диагонали питания тензомоста Rм(Т1) и Rм(Т2). Величина оптимального начального сигнала (при питании напряжением) определяется как

     U0 опт=U0(T2)-U0(T1) / ln[Rm(T1) / Rm(T2)]             

Если с помощью элементов балансировки и при питании постоянным напряжением установить такую величину начального сигнала тензомоста, то при питании постоянным током начальный сигнал ТП практически не будет зависеть от температуры. Конечно, при этом тензомост будет разбалансирован, но начальный разбаланс можно легко убрать при преобразовании электронной схемой в датчике.

Этот метод коррекции аддитивной составляющей температурной зависимости ТП успешно использовался в датчиках МИДА-01П. Типичный результат коррекции показан на рис.7; видно, что аддитивная составляющая температурной погрешности уменьшается в десятки раз. Вместе с тем, результирующая температурная зависимость начального сигнала близка к параболической. Поэтому для ее описания нельзя использовать стандартную нормировку дополнительной температурной погрешности в %/10 оС [6]; вместо этого имеет смысл говорить о максимальной зоне аддитивной температурной погрешности ∆тo, подразумевая под ней максимальное изменение выходного сигнала в температурном диапазоне компенсации (Рис.7). Такое нормирование дополнительной температурной погрешности вообще более правильно описывает свойства полупроводниковых ТП, у которых линейные температурные зависимости параметров скорее исключение, чем правило.

Типичные результаты коррекции аддитивной температурной погрешности при серийном производстве датчиков давления МИДА-01П, в которых питание ТП осуществляется постоянным током. Как видно, в среднем аддитивная температурная погрешность датчиков уменьшается почти в 20 раз по сравнению с исходной аддитивной температурной погрешностью ТП (при этом следует учитывать, что в данные рис.7б дает неучитываемый вклад аддитивная погрешность электронной схемы датчика).

Рис. 7. Температурный дрейф начального выходного сигнала до и после термокомпенсации для ТП давления при питании током (в процентах от диапазона измерения выходного сигнала). Δтон – зона температурной

погрешности нуля ТП до компенсации, Δто – то же после термокомпенсации.

Возможность физико-технологической коррекции мультипликативной составляющей температурной погрешности ТП определяется наличием в структурах КНС явления дифференциальной температурной инвариантности пьезосопротивления [7]. Это явление заключается в том, что при определенной величине удельного сопротивления ρопт слоя кремния на сапфире в определенном интервале температур (примерно от –100 до + 200 оС) температурные коэффициенты сопротивления и эластосопротивления совпадают по величине, будучи противоположными по знаку. Это приводит к тому, что в этом интервале температур чувствительность ТП с оптимальным удельным сопротивлением структуры КНС при питании током будет практически постоянна [7].

Строго говоря, величина оптимального удельного сопротивления несколько меняется в зависимости от конструкции ТП. Кроме того, для достижения приемлемой коррекции величина ρопт должна выдерживаться с высокой точностью (не хуже 1-2%), тогда как практически структуры КНС изготавливаются с разбросом удельного сопротивления 6-10 %. Поэтому на практике требуется дополнительное использование схемотехнической компенсации мультипликативной составляющей температурной погрешности ТП, когда параллельно питающей диагонали тензомоста включают термонезависимый резистор Rо (Рис. 8б). Величина Rо рассчитывается по формуле [8]:

    R0=Rm(T1)*((Rm(T2)/ Rm(T1)- Uд(T2)/ Uд(T1))/( Uд(T2)/ Uд(T1)-1))  

где Т1 и Т2 – границы интервала температурной компенсации, Rм – сопротивление питающей диагонали моста, Uд – диапазон изменения выходного сигнала ТП при подаче номинального давления. Как уже говорилось, использование термонезависимого компенсирующего резистора Rо позволяет устанавливать его на плате электронного преобразователя датчика, не заботясь о равенстве температур чувствительного элемента и резистора.

Результат использования указанного способа коррекции мультипликативной составляющей температурной погрешности ТП при серийном производстве датчиков давления МИДА-01П показан на рис.8. Как видно, температурный дрейф чувствительности датчиков в режиме самокомпенсации ТП (когда удельное сопротивление кремния оказывается близким к оптимальному) может быть достаточно мал (рис.8а). Отметим, что согласно [6] зона дополнительной температурной погрешности датчика с основной погрешностью 0,1% в диапазоне температур –40…+80 оС не должна превышать 0,1*12 = 1,2%. Дополнительное использование схемотехнического метода при отклонении удельного сопротивления кремния от оптимального снижает температурную погрешность чувствительности ТП в диапазоне температур –40…+80 оС примерно до величины, достигаемой при самокомпенсации.

в)

Рис. 8. а) Температурный дрейф чувствительности ТП давления при питании постоянным током в режиме самокомпенсации в диапазоне температур – 40…+ 80 0С. б) Схема включения резистора для компенсации температурного дрейфа чувствительности при питании током. в) Температурный дрейф чувствительности ТП давления до и после термокомпенсации при питании постоянным током в диапазоне температур – 40…+ 80 0С. Δтдн –зона температурной погрешности чувствительности ТП до компенсации, Δтд – то же после термокомпенсации

5. ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОРРЕКЦИЯ ТП ПРИ ПИТАНИИ НАПРЯЖЕНИЕМ

Как уже говорилось выше, питание ТП постоянным напряжением позволяет, во-первых, использовать их как самостоятельные элементы в системах контроля и управления, а, во- вторых, упростить электронную схему преобразования сигнала в датчике. К сожалению, в этом случае невозможно полностью исключить температурную погрешность преобразования ТП физико-технологическими методами, т.е. изменением характеристик слоя кремния или параметров тензомоста. Вместе с тем, повышение уровня легирования кремния позволяет снизить температурную зависимость как начального выходного сигнала ТП, так и его чувствительности; однако, при этом снижается и чувствительность ТП к измеряемому давлению, так что и в этом случае существует некоторый оптимальный уровень легирования слоя кремния, при котором отношение «выходной сигнал»/«температурная погрешность» имеет максимальное значение.

Для дополнительного снижения температурной погрешности ТП в этом случае приходится использовать схемотехнические методы.

Коррекция аддитивной составляющей температурной погрешности наиболее просто осуществляется включением постоянного резистора параллельно одному из плеч тензомоста с наибольшим значением температурного коэффициента сопротивления (Рис.9 а). Величина резистора Rш выбирается из условия равенства начального выходного сигнала ТП при двух температурах Т1 и Т2, соответствующих границам температурного диапазона компенсации:

Rш*(R12 (T1) – R22 (T1)) – R1 (T1) * R22 (T1)

-------------------------------------------------------------------------------- =

(R1(T1)*R2(T1) + Rш*( R1(T1) + R2(T1))) * (R1(T1) + R2(T1))

 Rш*(R12 (T2) – R22 (T2)) – R1(T2) * R2 2(T2)

= --------------------------------------------------------------------------------,

 (R1(T2)*R2(T2) + Rш*( R1(T2) + R2(T2))) * (R1(T2) + R2(T2))

где R1 и R2 – значения тензорезисторов в смежных плечах тензомоста.

Типичный результат такой схемотехнической компенсации аддитивной температурной погрешности показан на рис.9б. Как видно, даже столь простая схема обеспечивает уменьшение зоны температурной погрешности начального выходного сигнала ТП в десятки раз. Статистика показывает, что при серийном производстве среднее значение максимальной зоны аддитивной температурной погрешности для ТП, питаемых напряжением, оказывается не хуже, чем при физико-технологической компенсации ТП, питаемых током (рис.9).

а)

б)

Рис. 9. а) Схема включения резисторов для термокомпенсации ТП при питании постоянным напряжением. б) Температурный дрейф начального сигнала (в процентах от диапазона выходного сигнала) до и после термокомпенсации для ТП давления при питании напряжением.

Для коррекции мультипликативной составляющей температурной погрешности в питающую диагональ тензомоста последовательно включается постоянный резистор Rд (Рис.9а), номинал которого рассчитывается по формуле

  Rм(Т1)* Rм(Т2)* (Uд(T2)- Uд(T1))

Rд = --------------------------------------------- .

  Rм(Т1)* Uд(T1) - Rм(Т2)* Uд(T2)

Типичный результат описанной схемотехнической компенсации мультипликативной температурной погрешности ТП показан на рис.7. Видно, что зона температурной погрешности чувствительности ТП уменьшается в несколько раз. Отметим, что в отличие от случая питания постоянным током (рис.10), при питании постоянным напряжением чувствительность ТП убывает с ростом температуры.

Рис. 10. Температурный дрейф чувствительности ТП давления до и после термокомпенсации при питании постоянным напряжением в диапазоне температур – 40…+ 80 0С.

Как уже отмечалось, температурная зависимость выходного сигнала ТП после термокомпенсации сильно нелинейна. На рис.10. показаны экспериментальные температурные зависимости начального сигнала и чувствительности ТП МИДА-ДИ-61П, снятые подробно в диапазоне температур –40…+80 оС. Как следует из рисунка, обе зависимости весьма близки к параболическим, что подтверждает обоснованность принятой в ГП МИДА методике коррекции и проверки эффективности термокомпенсации по трем температурным точкам – на краю и в центре температурного диапазона компенсации.

Рис. 11. Температурные зависимости начального сигнала и чувствительности ТП давления МИДА-ДИ-61П при питании напряжением после компенсации. Линии – расчетные параболы.

В заключение на рис.11 приведены статистические данные по максимальной зоне дополнительной температурной погрешности (в соответствии с [6]) датчиков давления МИДА-ДИ-01П и МИДА-ДИ-13П, в которых питание ТП осуществляется соответственно от источника тока и источника напряжения. Из этих данных следует, во-первых, что средние величины зоны дополнительной температурной погрешности у датчиков обоих типов близки (1,3-1,4%), и даже питание ТП постоянным напряжением является предпочтительным, особенно если учесть, что при этом в электронной схеме датчика исключается каскад источника тока. Во-вторых, если учесть, что, согласно [6], для датчиков класса 0,1% зона дополнительной температурной погрешности не должна превышать 1,2% (в диапазоне температур –40…+80 оС) и соответственно для класса 0,2 – 2,4%, для класса 0,25 – 3,0%, то по дополнительной температурной погрешности практически все датчики МИДА-ДИ-13П удовлетворяют классу 0,25% и около 40% - классу 0,1%.

Рис. 12. Зона суммарной температурной погрешности датчиков МИДА – ДИ – 01П и МИДА – ДИ – 13П в диапазоне температур - 40… +80 С.


6. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И ИНТЕРФЕЙС.

Для измерения давления на агрегатах и в затрубном пространстве используется тензометрический метод и основан на преобразовании величины прогиба чувствительного элемента в электрический выходной аналоговый сигнал и цифровой код. Чувствительный элемент – это интегральные кремневые структуры (тензорезисторы) на мембране, соединенные в мостовую схему.[12]

   ∆Р

          Rn 

      Rg

                 Un = 12÷48 В

  

 Uвых=0.6÷ 3 В    Цифровой сигнал  

Рис.13 . Структурная схема датчика давления. 1-тензомодуль , 2 – генератор тока, 3 – усилитель напряжения, 4 – преоброзователь напряжение- ток, 5 – термокомпенсатор, 6 – интерфейс ИС-01

В тензомодуле к поверхности круглой металлической мембраны приклеена диэлектрическая сапфировая монокристаллическая подложка 2 с заданной кристаллаграфической ориентацией. На подложке 2 методом гетероэпитаксии выращена пленка монокристаллического кремния толщенной 1 мкм р-типа (монокристаллическая структура «кремния на сапфире»), обладающая тензорезистивным эффектом. Упругие элементы 3 выполнены из монокриталического кремния с ориентацией (001), имеющих круглую или прямоугольную форму. При этом топология схемы тензочувствительныхэлементов р- типа предусматривает расположение их в области действия максимальной разности полезных механических продольных и поперечных напряжений мембраны.[12]

Датчик давления имеет унифицированный входной капилляр и закрытую мембрану. Также имеют открытую плоскую внешнюю разделительную металлическую гофрированную мембрану диаметром 30 мм. Кремнийорганической жидкостью заполняется полость между разделительной мембраной и мембраной тензомодуля. Измеряемое давление воздействует на разделительную мембрану и через кремнийорганическую жидкость передается на мембрану терзомодуля 1. Воздействуя на мембрану измеряемое давление вызывает ее деформацию. Вместе с мембраной деформируется размещенные по ней интегральные кремневые резисторы. Одна диагональ чувствительного моста запитывается током Iст от генератора тока, а вторая с выходным напряжением Uвых= 200-300 мВ включается на вход усилителя напряжения 3. В состав датчика также входят схемы термо компенсации 5 и преобразователь напряжение – ток 4, выходной ток которого 4-20 мА не зависит от верхнего предела измерения давления. По отношению к внешней цепи датчик представляет собой источник тока. Напряжение питания датчика находится в пределах Uп = 12- 48 В, а нагрузочное сопротивление с учетом сопротивления линии связи Rн ≤ 2 кОм. Для питания интерфейса используют напряжение ±15 В и +5 В. Блок электроники конструктивно состоит из аналоговой токовой платы на базе гибридной интегральной микросхемы и платы интерфейса.[12]

Интерфейс ИС-1 включает: преобразователь ток-напряжение на резисторах, преобразователь напряжение-частота на микросхеме КР1108ПП1, однокристальный микроконтроллер на микросхеме КР1835ВГ14, буферное устройство на микросхеме К588ИР1, перепрограммируемое ППЗУ на микросхеме573РФ2 и выходные токовые усилителити.[12]


8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Метрологические и эксплуатационные характеристики тензорезисторных ТП механических величин с ПЧЭ на основе структур КНС продолжают постоянно совершенствоваться. Достаточно сказать, что если в комплексе датчиков теплоэнергетических параметров "Сапфир-22" основная погрешность датчиков давления составляла не менее 0.25%, а мембранные ТП применялись для измерения давления не ниже 100 кПа (для измерения меньших давлений использовались мем-бранно-рычажные ТП, соединенные с воспринимающими мембранами), то в общепромышленных датчиках МИДА-13П основная погрешность уменьшена до 0.15% (при том, что точность ТП -комбинация нелинейности, вариации и повторяемости - составляет не более 0.1%), а нижний предел измерения датчиков с мембранными ТП составляет 4 кПа.

Вместе с тем имеется ряд направлений, по которым можно вести дальнейшее совершенствование характеристик ТП. Во-первых, это создание математической модели ТП с ПЧЭ на основе КНС, которая позволила бы оптимизировать конструкцию ТП с точки зрения как упругих элементов, так и топологии тензочувствительной схемы. Например, в было показано, что в мембранных ТП деформации поверхности не обращаются в нуль за радиусом мембраны, а при достаточно толстых мембранах максимальная чувствительность тензосхемы достигается при размещении тензорезисторов за границей упругой мембраны. Однако достаточно точной математической модели, описывающей деформации давлением поверхности многослойной толстой мембраны, выполненной в единой конструкции с опорным кольцом, до сих пор не существует. Не существует также и модели термических напряжений на поверхности сапфирового ПЧЭ в ТП, возникающих при остывании ТП после пайки ПЧЭ в результате разницы в коэффициентах термического расширения сапфира и титана. Создание таких моделей осложняется необходимостью учета анизотропии механических характеристик сапфира .

Во-вторых, принципиально температуру ТП можно довести до 500.. .600°С, тогда как пока она не превышает 35О...4ОО°С. Однако практически такое повышение рабочей температуры требует разработки технологии надежных высокотемпературных омических контактов к кремнию - проблема, которой из-за отсутствия необходимости никто не занимался.

В-третьих, большой интерес представляют преобразователи давления криогенных сред. Принципиальная возможность создания таких преобразователей с ПЧЭ на основе КНС показана достаточно давно, но для создания серийных приборов необходимо выполнить ряд исследований и разработок.

Хотя титан и его сплавы являются достаточно коррозионностойким материалом, тем не менее для измерения давления некоторых агрессивных сред (например, кислород, водород и др.) его использовать нельзя. Двухмембранные преобразователи дают принципиальную возможность использовать для элементов, контактирующих с измеряемой средой, другие материалы, например, нержавеющие стали, что существенно расширяет область применения ТП давления. Однако для практической реализации таких ТП необходимо решить задачу надежного соединения нержавеющих сталей с титановыми сплавами при сохранении высоких упругих характеристик составной конструкции.

Таковы некоторые направления работ, которые позволят существенно расширить область применения тензорезисторных чувствительных элементов на основе структур КНС для измерения механических величин.

Схемы компенсации с компенсационным резистором в плече моста с ТР, имеющим наибольшее значение величины ТКС, и стабильным резистором, соединенным последовательно с ТР в смежном плече, характеризуется существенным преимуществом в сравнении с известными схемами и по технологии изготовления такого резистора в виде тонкопленочной низкоомной структуры совместимы с технологией изготовления интегральной тензосхемы с тонкопленочными ТР.

Пассивные схемы термокомпенсации не могут корректно реагировать на изменение температуры, тем самым появляются различные родом погрешности. С развитием науки и техники, все средства измерения дополняют все возможными автоматическими или интеллектуальными вспомогательными устройствами, для более точного измерения. Внедрение в датчики давления автоматической термокомпенсации, позволит ему самому корректировать и настраивать параметры измерения.


9. ЛИТЕРАТУРА

1. Стучебников В.М. Тензорезисторные преобразователи на основе

гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире». // Измерения, контроль, автоматизация // Н.-т. сборник, 1983, № 1(45), с.30-42.

2. Бушев В.В., Николайчук О.Л., Стучебников В.М. Серия микроэлектронных датчиков давления МИДА. // Датчики и системы, 2000, № 1, с. 21-27.

3. Стучебников В.М. Физико-технологические методы оптимизации метрологических характеристик полупроводниковых тензопреобразователей. // Датчики систем измерения, контроля и управления // Межвуз. Сборник научных трудов. Вып. 5. Пенза: ППИ, 1985, с. 15-25.

4. Белоглазов А.В., Стучебников В.М. и др. Полупроводниковые преобразователи силы и давления на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире». // Приборы и системы управления, 1982, № 5, с.21,22,27.

5. Лурье Г.И., Стучебников В.М. и др. Способ настройки интегральных тензомостов с питанием от источника стабилизированного тока. // АС СССР № 1411571, 1988.

6. Датчики давления, разряжения и разности давлений с электрическими аналоговыми сигналами ГСП. Общие технические условия.// ГОСТ 22520-85.

7. Stuchebnikov V.M. SOS strain gauge sensors for force and pressure transducers. // Sensors and Actuators, 1991, v. 28, No 3, p.207-213.

8. Лурье Г.И., Стучебников В.М. и др. Способ настройки интегрального тензомоста с питанием от источника тока. // АС СССР № 1486767, 1989.

9. М. М. Рыбаков, А. У. Ялышев. Новый подход к коррекции аддитивной температурной погрешности тензорезисторных мостовых схем с помощью относительных температурных характеристик тензорезисторов. //Sensors & Systems, 2004, № 7, ст. 2-3.

10. Е. В. Тихоненков , В. А. Мишин . Схемная минимизация аддитивно температурной погрешности тензорезисторных датчиков давления с мостовой измерительной цепью.// Sensors & Systems, 2006, № 3, ст. 14.

11. Ю. А. Зеленцов , В. Ю. Зеленцов.// Sensors & Systems, 2007, № 2, ст. 10-13.

12.В. М. Колешко, В. Я. Сунка.// Реанимация нефте-газовых скважин. М. 1996, ст. 20-23, 54-55.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70480. Основные направления и проблемы изучения личности в социальной психологии 31 KB
  Законы адаптации, уравновешивания и подкрепления. Фрейдизм и неофрейдизм о примате биологического над социальным (личность – средоточие, совокупность инстинктивных побуждений, требующих удовлетворения и защиты от социального через полубессознательное).
70481. Понимание личности с точки зрения трансакционного анализа (Берн) 28 KB
  Согласно теории Берна личность состоит из трех отдельных функциональных структур известных как Эгосостояния. Экстеропсихе неопсихе и археопсихе рассматриваются как психические органы которые проявляют себя феноменологически и как экстеропсихические то есть идентифицирующие неопсихические...
70482. Социализация: Понятие, содержание, механизмы и условия 28 KB
  Социализация человека происходит посредством механизмов социализации способов сознательного или бессознательного усвоения и воспроизводства социального опыта. Содержание социализации определяется с одной стороны всей совокупностью социальных влияний реализующихся через...
70483. Основные проблемы и направления исследований социализации в социальной психологии 42.5 KB
  Прежде чем перейти к краткой характеристике основных теоретических и эмпирических линий социально-психологического анализа процесса социализации заметим что несмотря на известную традиционность данной проблематики последние два десятилетия она...
70484. Проблема социально-психологической периодизации в развитии личности 33.5 KB
  Существует ряд взглядов на периодизацию личностного развития человека. Пиаже фактически отождествлял процесс периодизации развития личности со стадиями интеллектуального развития: сенсомоторного интеллекта до 2 лет; дооперационального мышления от 2 до 7 лет...
70485. Вопросы формирования «Я-концепции» как результата социального развития личности 29 KB
  Телесное выделение себя из окружающего мира начинается в младенчестве и завершается к двум годам когда ребенок понимает что его тело существует независимо от внешнего мира и принадлежит только ему. Двухлетний ребенок способен узнавать себя в зеркале выделяя себя и другого ребенка...
70486. Содержание социально-психологического развития человека 31 KB
  Необратимость направленность и закономерность выступают основными характеристиками любого развития как процесса. Необратимость представляет собой отсутствие возможности субъекта развития возвратиться к любому предшествующему состоянию в его первоначальном варианте.