CC BY
86
УДК 621.3.032 Вергазов И.Р.
Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ
Создание микроэлектронных датчиков резистивного типа с частотным преобразованием сигнала является актуальным, так как частотное преобразование позволяет уменьшить погрешность преобразования, снизить энергопотребление, унифицировать аппаратуру обработки информации и повысить надежность измерительных систем [1, 2].
Одним из наиболее перспективных направлений создания частотных преобразователей параметров датчиков резистивного типа является построение их на основе метода интегрирующего развертывающего преобразования [3]. Достоинствами таких преобразователей являются широкие функциональные возможности, помехоустойчивость, относительная простота реализации и настройки схем, технологичность.
Существуют различные способы уменьшения температурной погрешности как первичных датчиков давления путём применения различных топологических и конструктивно-технологических решений, введения в измерительную схему дополнительных компенсирующих терморезистивных элементов и т. п., так и вторичных преобразователей сигналов с первичных датчиков в удобные для передачи, хранения и обработки информации частотно-временные сигналы [1, 4 - 6]. Во вторичных преобразователях, как правило, это удаётся осуществить за счёт схемотехнических решений [7].
Примером для рассмотрения может служить устройство [8] для измерения давления на основе нано-и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом, представленная на рисунке 1.
Рисунок 1 - Функциональная схема устройства для измерения давления
Она включает тензомост датчика давления и частотный преобразо-ватель сигнала с выхода тензомо-ста датчика.
Частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста 18 датчика давления содержит интегратор 19 (рисунок 1), выполненный на операционном усилителе 20 и компаратор - на операционном усилителе 22, а также конденсаторы 21 и 23 в цепи отрицательной обратной связи и резисторы 24, 25 и 26. При этом резисторы 24 и 25 выполнены из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста 18 датчика давления, и установлены по контуру за периферией мембраны на её основании.
Выражение для выходной частоты преобразователя имеет вид
1
Тк 2(1 - Єд + 2m )С
є
23 V^и
R + (1 + Єд + 2n)
2R
(1)
где sR = AR/R - относительное изменение сопротивления R тензомоста 18 под действием давления, R-24 R-25
m =—— и n =—— - коэффициенты, равные отношению сопротивлений 24 и 25 к сопротивлению R тензо-
RR
моста 18, С2;
и Со-
ёмкости конденсаторов 23 и 21, RH - сопротивление резистора интегратора.
При разбалансе тензомоста 18 в ту или другую сторону, как это происходит в датчиках дифференциального давления, величина относительного изменения сопротивления плеч тензомоста будет изменяться в зависимости от измеряемого давления в диапазоне от -0,01 до +0,01 ( Єд =0 -^+0,01 ) и учитывая то, что эта величина значительно меньше единицы, из выражения (1)
можно определить девиацию частоты Df выходного сигнала преобразователя
Df »----=fR-----, (3)
2(1 + 2т)С2зДи
которая может задаваться и устанавливаться более точно с помощью величин ёмкости С23 конденсатора 23 и сопротивления RM резистора интегратора.
Зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста Єд согласно выражения (1) в
диапазоне от - 0,01 до + 0,01 (относительных единиц), без учёта влияния температуры, при следую-
щих параметрах схемы: сопротивление тензомоста R=700 Ом, сопротивления интегратора Rh=52630 Ом и R26=1250000 Ом, ёмкость конденсатора С23=20 пФ при отсутствии дополнительных резисторов 24 и 25 (n=m=0) носит линейный характер во всём диапазоне разбаланса (как в отрицательной, так и в положительной области, а что частота f выходного сигнала от разбаланса тензомоста изменяется от 5033
Гц
ст
25
те
да
при Єд = - 0,01 до 15000 Гц при Єд = + 0,01 и равна 10000 Гц при Єд =0.
С учётом влияния температуры, при которой будут изменяться сопротивления плеч тензомо-а (независимо от измеряемого давления) и сопротивления дополнительных резисторов 24 и , установленных на основании мембраны датчика давления в непосредственной близости от нзорезисторов, но в зоне нечувствительности к механическим дефор-мациям от измеряемого вления, для выходной частоты преобразова-теля выражение (1) принимает вид
f (Т)
___________1__________
2(1 — Єдт + 2mT )С23
Єдт + (1 + Єдт + 2nT ) ди 2д26
(4)
n
m
s
где значения nT =-------- , mT =---- , Srj =---- , зависят от относительного изменения
1 + Sj 1 + Sj 1 + Sj
сопротивлений тензорезисторов, связанных с изменением температуры тензомоста и величиной температурного коэффициента сопротивления материала тензорезисторов.
На рисунке 2 показаны зависимости выходной частоты преобразова-теля от температуры и от соотношения резисторов 24 и 25 (п и т) при разбалансе тензомоста +0,01.
Рисунок 2 - Зависимость выходной частоты преобразователя от температуры и от соотноше-
ния резисторов 24 и 25.
При включении в схему устройства резисторов 24 и 25 с увеличе-нием соотношения m=R24/R и п = R2 5 /R (m=n=1; 4; и т.д.) и размещении их на основании мембраны датчика давления происхо-
дит уменьшение температурной погрешности преобразования частоты выходного сигнала, как показано на рис. 3.
С увеличением величины резисторов 24 и 25, например, в четыре раза (R24 = R25 = 2 8 0 0 Ом) , температурная погрешность не превышает 1 0,34% при разбалансе +0,01.
Таким образом, для заданных значений диапазона измеряемых давлений, температуры разогрева тензомоста, частотного диапазона выходного сигнала устройства, путём правильного подбора параметров элементов схемы частотного преобразователя сигнала с выхода тензомоста можно значительно уменьшить (или полностью компенсировать) погрешность измерения устройства, связанную с изменением температуры измеряемой среды и с разогревом тензомоста датчика давления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баринов И.Н., Волков В. С. Повышение долговременной стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений // Приборы.-2010.-№3.-С. 9-15.
2. Баринов И.Н., Волков В.С. Высокотемпературные полупроводниковые датчики давления с повышенной временной стабильностью // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.-2011.- №8.-С. 51-55.
3. Громков Н.В. Интегрирующие развёртывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления: монография - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - 244 с.
4. Баринов И.Н. Конструктивно-технологические решения полупроводниковых преобразователей давлений на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» // Технологии приборостроения.-200б.-№4.-С.
28-33 .
5. Волков, В.С. Применение высокоомных кремниевых тензорезисторов для повышения долговременной
стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений / И. Н. Баринов, В. С. Волков // Надежность и качество: Труды международного симпозиума, Т. 2. Пенза: ИИЦ, 2011. - с. 243-245.
6. Волков, В.С. Снижение температурной зависимости начального выходного сигнала высокотемпера-
турного полупроводникового датчика давления на структуре «поликремний - диэлектрик» // Надежность и качество - 2013: труды международного симпозиума: в 2 т. / под .ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд
- во ПГУ, 2013, - 1 т. - с. 75 - 77.
7. Е.А. Мокров, И.Н. Баринов, П.Н. Цибизов Полупроводниковые пьезочувствительные элементы микроэлектронных датчиков давлений. Основы проектирования и разработки: учеб. пособие - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - 104 с.
8. В.А. Васильев, Н.В.Громков Устройство для измерения давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с частотным выходным сигналом. Заявка на изобретение №2009133752 от 08.09.2009г.
