12. Метрологические характеристики мостовых тензорезистивных преобразователей

Включение ТР, как правило, производится по мостовой схеме (рис. 17). За счёт соответст­вующего расположения на мембране тензорезисторы R₁ и R₃ обладают одним знаком чувствительности, а R₂ и R₄ – противоположным. Общую точку тензорезисторов R₁ и R₄ можно объединить с выводом подложки интегральной микросхемы преобразователя.

Градуировочной характеристикой называется зависимость между значениями величин на выходе и входе измерительного устройства. В данном преобразователе – это зависимость выходного на­пряжения мостовой схемы U_ВЫХ от приложенного к мембране воздействия, например избыточного давления q, определённая для двух значений температуры T₀ и T₁ (рис. 18).

Рис.18. Градуировочные характеристики интегрального измерительного преобразователя: T₀, T₁ – номинальная и максимальная допустимая рабочая температура

Градуировочная характеристика определяет следующие параметры:

1. Начальный разбаланс (U₀) – выходное напряжение при нулевом давлении (q = 0) и температуре T = Т₀. Разбаланс вызван технологическим разбросом номиналов ТР, а также начальной деформацией ЧЭ. При разбросе номиналов сопротивлений на 1% и при напряжении питания моста U_п порядка нескольких вольт, разбаланс составляет порядка нескольких десятков процентов от номинального выходного сигнала.

2. Диапазон линейного преобразования – это область давлений, в которой вы­ходной сигнал мостовой схемы U_ВЫХ линейно (с определенной степенью точности) за­висит от давления q:

где – номинальные пределы линейного преобразования, соответствующие положительному и отрицательному давлению.

Нелинейность определяется нелинейностью преобразования давления в механические напряжения, нелинейностью тензозорезистивного эффекта и нели­нейностью электрической схемы.

3. Сдвиг характеристики преобразования (q₀) обусловлен различием величин . Указанное различие объясняется, во-первых, различной нелинейностью преобразования при подаче избыточного давления с разных сторон мембраны. Во-вторых, – начальной деформа­цией мембраны при исходном давлении и температуре (q = 0, Т = T₀). Эта деформация определяется механическими напряжениями, возникающими на границе «кремний-двуокись кремния» после термического окисления. Сдвиг q₀ определяется как среднее значение величин .

q₀ = 0,5( ).

Для мембран диаметром 1 мм и толщиной 10-20 мкм при толщине окисла SiO₂, равным 0,4-0,6 мкм, сдвиг q₀ может достигать 10 кПа.

4. Чувствительность преобразователя S₀ (при температуре Т₀) определяется как отношение приращения выходного сигнала к приращению приложенного давления, отнесённого к напряжению питания мостовой схемы (U_п):

Чувствительность зависит от ориентации ТР, от его местоположения, легирования и других факторов.

5.Температурный дрейф нуля (ς) – приращение выходного напряжения в отсутствие приложенного воздействия, отнесённое к номинальному значению выходного сигнала при изменении температуры на 1°С:

∙

Напряжение определяется как

=

где

6. Температурный дрейф (ξ ) вызывается рядом причин, главная из которых – техноло­гический разброс температурных коэффициентов сопротивлений ТР. Температурный коэффициент чувствительности – относительное изменение чувствительности при изменении температуры на 1° С:

Этот параметр обусловлен наличием температурной зависимости тензочувствительности полупроводниковых ТР и определяется в основном степенью легирования, а также изменением параметров упругих элементов при изменении температуры.

В связи с наличием указанных влияний необходимо производить следующие настроечные работы:

- устранить напряжение U₀ (балансировка электрической схемы);

-установить номинальную чувствительность (калибровка усилителей);

-устранить дрейф нуля в заданном интервале температур (нуля);

-устранить изменение чувствительности с температурой (температурная компенсация чувствительности).

Балансировка мостовой схемы преобразователя наиболее просто осуществ­ляется подстроечным внешним резистором, включённым последовательно или параллельно с одним из плеч моста. Однако такое включение балансирующего резистора может внести дополнительную погрешность в температурный дрейф нуля мостовой схемы, если этот резистор имеет ТКС, отличный от ТКС ТР, а также в том случае, если он находится при других температурных условиях по сравнению с рабочим ТР. Поэтому при балансировке предпочтительно использовать подстроечные компоненты, изготов­ленные на одной подложке с мембраной за один технологический цикл, и, следова­тельно, имеющие температурные характеристики, близкие к характеристикам ТР. Та­кими компонентами могут быть, например, магазины диффузионных резисторов.

Другим методом балансировки является включение последовательно с из­мерительной диагональю моста балансирующего напряжения. Если для усиления сигнала используется операционный усилитель (ОУ), то такое балансирующее на­пряжение может обеспечить схема внешней регулировки напряжения смещения нуля усилителя (рис.19).

Рис. 19. Схема балансировки мостовой схемы преобразователя, путем изменения напряжения смещения операционного усилителя

Градуировка заключается в регулировании чувствительности так, чтобы обеспечить требуемое выходное напряжение при заданном входном воздействии (например, при заданном давлении). Градуировка возможна путем изменения питающего напряжения (или тока) или включения параллельно выходной диагонали моста шунтирующего со­противления. Однако наиболее приемлемым является регулирование коэффициента усиления последующего усилителя. Перспективны ОУ, изготовленные на одном кристалле с ТР. Резисторы обратной связи ОУ, определяющие коэффициент усиле­ния, можно выполнить по тонкопленочной технологии и подстраивать их в этих схемах с помощью лазера.