Влияниетемпературына

тензорезистивныедатчикидавления

достоинстваинедостатки

Достоинствами тензорезистивного принципа измерения давления являются:

•сравнительная простота в изготовлении,

•невысокая стоимость и потенциально широкий диапазон рабочих температур.

К недостаткам тензорезистивных сенсоров можно отнести:

•низкую чувствительность (в пределах 1%);

•значительные гистерезисные явления и нестабильность (из-за неоднородности конструкции и "усталости" металла мембраны);

•сильное влияние температуры (за счет различия коэффициентов температурного расширения элементов сенсора и изменения электропроводности кремния);

Кремниевыедатчикидавлениянаоснове

пьезорезистивногоэффекта

Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистивных преобразователей в виде резисторов. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком датчике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Когда к полупроводниковому резистору номинала R прикладывается механическое напряжение, вследствие пьезоорезистивного эффекта его сопротивление меняется на величину R.

Коэффициент пьезочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника. Максимальное выходное напряжение таких датчиков обычно составляет несколько сот милливольт, поэтому на их выходе, как правило, ставятся усилители сигналов.

Конструкцияпьезорезистивныхполупроводниковыхдатчиковдавления

Абсолютное давление, например, барометрическое, измеряется относительно давления в эталонной вакуумной камере. Дифференциальное давление, например, перепад давления в дифференциальных расходомерах, измеряется при одновременной подаче давления с двух сторон диафрагмы. Для защиты устройства от вредного влияния окружающей среды внутренняя часть корпуса заполняется силиконовым гелем, который изолирует поверхность кристалла и места соединений, но позволяет давлению воздействовать на диафрагму. В некоторых случаях при работе с горячей водой, коррозионными жидкостями

ит.д. необходимо обеспечивать физическую изоляцию устройства и гидравлическую связь с корпусом датчика. Это может быть реализовано при помощи дополнительных диафрагм

исильфонов.

Достоинстваинедостаткипьезорезистивных

полупроводниковыхдатчиковдавления

Достоинствами пьезорезистивных сенсоров являются:

•малый гистерезис,

•стойкость к вибрации,

•однородность упругой мембраны.

Недостатки в основном те же, что у тензорезистивных, но выражены в меньшей степени:

•низкая чувствительность (2...5%);

•сильное влияние температуры (за счет изменения удельного сопротивления пьезорезисторов);

•недостаточная стабильность (фактором дрейфа является загрязненность примесями);

Подключениетензорезистивныхи

пьезорезистивныхдатчиковдавления

Кремниевые тензорезистивные и пьезорезистивные датчики давления включаются как правило по мостовой схеме. Изменение сопротивления пропорционально приложенному механическому напряжению, и следовательно, приложенному давлению. Резисторы располагаются на диафрагме так, чтобы их продольные и поперечные коэффициенты чувствительности имели противоположные знаки, тогда изменения значений резисторов также будут иметь разные знаки. В этом случае мост будет более чутко реагировать на приложенную силу.

Часто полупроводниковые датчики давления имеют по четыре резистивных чувствительных элемента которые также включаются по мостовой схеме.

Емкостныедатчикидавления

Емкостный сенсор в его современном варианте представляет собой конденсатор, образованный диэлектрической оболочкой сенсора, помещенной внутри прочного металлического корпуса, измерительными электродами, выполняющими функцию обкладок конденсатора, и упругой металлической или керамической мембраной. Пространство между мембраной и электродами заполнено силиконовым маслом, служащим для передачи давления на мембрану и одновременно для увеличения емкости конденсатора. При подаче разности давлений на сенсор мембрана деформируется, и емкость между обкладками изменяется. Измерение емкости производится электронным модулем датчика, подключенным к обкладкам сенсора. Кроме того, сенсор обычно содержит еще термопреобразователь (на рисунке не показан).

Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широком диапазоне значений, что делает возможным проведение прямой оцифровки результатов измерений

Емкостныедатчикидавления

При использовании металлической диафрагмы ячейка делится на две части, с двух сторон которой расположены электроды. Электроды с диафрагмой образуют две переменные емкости, включенные в плечи измерительного моста. Когда давление по обеим сторонам одинаково, мост сбалансирован. Изменение давления в одной из камер приводит к деформации мембраны, что изменяет емкости, разбалансируя мост. В настоящее время сенсоры изготавливаются с электродами, расположенными с одной стороны от диафрагмы. Газ будет контактировать только с камерой, выполненной из нержавеющей стали или инконеля. Это позволяет проводить измерения давления загрязненных, агрессивных, радиоактивных газов и смесей неизвестного состава.

Емкостныедатчикидавления

Отклонение центральной части планарной и гофрированной диафрагм одинаковых размеров при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений

Для обеспечения хорошей линейности емкостных датчиков необходимо, чтобы диафрагмы обладали ровной поверхностью центральной части. Одним из способов улучшения линейности является использование гофрированных диафрагм, изготовленных методами микротехнологий. При наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений изгибы гофрированной мембран их значительно ослабляют, что приводит к существенному улучшению линейности и чувствительности таких датчиков

Достоинстваинедостаткиемкостных

датчиковдавления

Преимуществами емкостного принципа измерения являются:

•сравнительно простая (на первый взгляд) конструкция сенсора,

•достаточно высокая чувствительность (∆C/C = 15...20%),

•большой практический опыт разработки датчиков с емкостными сенсорами, накопленный к настоящему времени.

Однако, несмотря на более чем 30-летнюю историю своего применения и совершенствования, емкостные сенсоры и сейчас обладают весьма существенными недостатками и ограничениями, вытекающими из базовых законов физики и до конца неустранимыми за счет совершенствования конструкции, материалов и технологии изготовления.

Такими недостатками являются:

•нелинейный выходной сигнал сенсора;

•значительный гистерезис (из-за неидеальных упругих свойств мембраны);

•сильное влияние статического давления (за счет изменения диэлектрической проницаемости заполняющей жидкости);

•существенное влияние температуры (за счет температурного расширения элементов сенсора и изменения диэлектрической проницаемости);

•недостаточная стабильность (из-за "усталости" материала мембраны);

•чувствительность к вибрации (резонансная частота колебаний мембраны находится в пределах спектра промышленных вибраций).