139

Глава 2. Датчики давления

2.1. Датчики давления на современном этапе

Как видно из табл. 1.2, датчики давления относятся к наиболее широко употребительным в технике и составляют значительную часть широкого производства микроэлектронных датчиков. Зарубежные фирмы непрерывно работают как над созданием новых датчиков, стремясь увеличить их надежность, повысить срок службы до десятков тысяч часов, расширить области применения, так и над усовершенствованием технологии их изготовления.

Современные датчики давления основаны на различных методах электрического преобразования входных параметров. Выпускаются миниатюрные тензорезисторные, пьезорезистивные, пьезоэлектрические, емкостные с монокристаллическим упругим элементом, использующие эффект Холла (тензо–ЭДС) и другие датчики давления. На мировом рынке получили широкое распространение электрические датчики с переменным магнитным сопротивлением (Hartman  Braun, Beckman, Schlumberger), конденсаторные датчики с переменной емкостью (Rosemount, Fisher  Porter, Baily, Siemens, Hokushin, Fuji El., Yokogawa), виброчастотные преобразователи фирмы Foxboro, тензометрические датчики с использованием тонкопленочных или напыленных металлических резисторов (Gold–Sthatham, Bell  Howell, Eckardt), тензометрические преобразователи с полупроводниковыми тензорезисторами (Honeywell, Bristol, Barton, Westinghaus, Babcock, Philips, Kulite, Denisco, Endevco, Yamatake, Hitachi) [1].

Сейчас одним из самых распространенных направлений построения датчиков давления является разработка интегральных тензорезисторных преобразователей с максимальным использованием достижений физики полупроводников и микроэлектронной технологии. Высокая чувствительность полупроводниковых тензорезисторов, применение монокристаллических материалов в упругих элементах тензорезисторных преобразователей, высокая надежность и стабильность, технологическая совместимость с интегральными микросхемами обработки сигнала, миниатюрные размеры полупроводниковых чувствительных элементов, возможность применения групповой технологии изготовления являются их основными достоинствами. Поэтому полупроводниковые тензопреобразователи привлекают к себе внимание приборостроителей во всем мире. Об этом свидетельствует большое число патентов и заявок на изобретение как за рубежом [2–13], так и в СНГ [14–27].

Кремниевые интегральные тензопреобразователи могут применяться в диапазоне температур от –253 до +(500...600) С, когда становятся заметными пластические деформации кремния [28]. Однако большинство известных тензопреобразователей с интегральным кремниевым полупроводниковым чувствительным элементом (ПЧЭ) работает в области от –40 до +120С. Нижняя граница определяется соединением ПЧЭ с корпусом преобразователя, верхняя – потерей изолирующих свойств р-n перехода [29]. Наличие р-n перехода определяет и невысокую радиационную способность ПЧЭ с диффузионными или имплантированными тензорезисторами. Самой серьезной составляющей погрешности датчика является нестабильность, поскольку она принципиально не поддается учету и коррекции. Для тензопреобразователей с интегральными ПЧЭ нестабильность также зависит от наличия р-n перехода, сопротивление которого изменяется под воздействием нестабильного заряда пассивирующего слоя двуокиси кремния. Комплекс мер, предпринятых для устранения нестабильности, позволяет ее снизить до 0,2 %/год. Реализация потенциальных возможностей кремния оказалась наилучшей при использовании интегральных ПЧЭ на основе гетероэпитаксиальных структур класса «кремний на диэлектрике», наиболее освоенным представителем которого является структура «кремний на сапфире» (КНС). Благодаря высоким механическим и диэлектрическим свойствам сапфира, его химической стойкости, возможности соединения с дисперсионно–твердеющими титановыми сплавами пайкой жестким припоем интегральные ПЧЭ на основе структур «кремний на сапфире», впервые разработанные в СССР, позволили создать и освоить в серийном производстве приборы для измерения давления, разности давлений, уровня [30]. В России и других странах СНГ нашли широкое использование датчики серии «Сапфир–22» с использованием тензопреобразователей на основе монокристаллических диэлектрических сапфировых подложек с кремниевым тензочувствительным слоем, которые были разработаны НИИ «Теплоприбор». Такой датчик обычно содержит тонкую эластичную мембрану из нержавеющей стали и заключенную в корпус подмембранную полость, заполненную кремнийорганической жидкостью. В этой полости размещен интегральный тензопреобразователь. Однако данная конструкция имеет ограниченный температурный диапазон (–20...+100 С). Это связано с изменением физических свойств кремнийорганической жидкости. Кроме того, сложен процесс герметизации. Некоторые зарубежные фирмы, как, например, американские Kulite и Omega Group Company [31] и др., разработали конструкцию датчиков с использованием защитной металлической мембраны с приклеенными к ней через стекло полупроводниковыми тензорезисторами. Однако данная конструкция сложна в изготовлении. Кроме того выходной сигнал датчика типа DX–300 фирмы Omega Group Company составляет всего 30 мВ.

Одна из существенных особенностей интегральных кремниевых тензопреобразователей – необходимость схемной компенсации погрешностей измерения, в первую очередь – температурной. Как правило, такая компенсация проводится индивидуально либо введением в электрическую схему тензопреобразователей пассивных элементов, либо использованием активных схем с соответствующей обратной связью, либо применением микропроцессоров [28–35]. Применение микропроцессоров позволяет не только снизить погрешность преобразования, но и существенно расширить функциональные возможности датчиков (перенастройка в широком диапазоне значений, встроенная диагностика и градуировка, индикация в выбранных единицах измерения и т.д.) [30].

Среди тензорезисторных преобразователей давления нашли широкое применение тонкопленочные преобразователи благодаря их высоким метрологическим характеристикам. Применение тонкопленочной технологии для формирования диэлектрических, тензорезистивных и проводящих слоев в конечном счете позволило получить высокую стабильность градуировочной характеристики, расширить пределы измерения и температурный диапазон работы тензорезисторных датчиков давления, увеличить ресурс работы до нескольких десятков тысяч часов [36]. Известны тонкопленочные измерительные преобразователи давления с широким спектром измеряемых величин таких фирм, как Shlumberger (Франция), Bell&Howll (США), Motoco, Wika, Eckardt (ФРГ) и др. [37]. В частности, фирма Transamerica Instruments (ФРГ) разработала тонкопленочные измерительные преобразователи давления для работы в диапазоне от –54 до +250 С, предназначенные для измерения абсолютного и избыточного давления от 1 до 400 бар и обладающие высокой стабильностью и вибропрочностью. Тонкопленочные датчики модели GMS 110 фирмы Gulton Ind. (США) предназначены для применения в очень тяжелых условиях [38]. Эти датчики могут работать в агрессивной среде, не вызывающей разрушения нержавеющей стали и кремния, но цена базовой модели составляет 695 дол.

Простота конструкции датчиков с применением тонкопленочных преобразователей обусловлена отсутствием сложной кинематики для перемещения чувствительного элемента, благодаря чему повышается надежность измерительных преобразователей при работе в жестких условиях эксплуатации.

Некоторые зарубежные фирмы применяют в своих разработках объемные конструкции упругих элементов тонкопленочных тензопреобразователей, требующих индивидуального изготовления. Но в последнее время наметилась тенденция к применению плоских конструкций тонкопленочных тензопреобразователей [39]. Разработка чувствительных элементов плоских конфигураций и технологического процесса их изготовления открывает широкие возможности для использования достижений современной микроэлектронной технологии, позволяющей снизить трудоемкость изготовления этих элементов и упростить сборочные операции.

Новое поколение металлопленочных тензорезисторных датчиков давления разрабатывается в НИИФИ с целью снижения основной погрешности до 0,1 – 0,2 %, увеличения ресурса работы до 50000 ч, расширение диапазона рабочих температур до 600 С, использование одного датчика для работы на четырех – пяти диапазонах давления.

Ряд фирм выпускают измерительные преобразователи давления по толстопленочной технологии. Например, фирма D–Y Instruments (США) изготовила измерительные преобразователи СА, CS, CC на основе технологии «transbar», когда на керамическую мембрану напыляется мостовая тензорезисторная схема по толстопленочной технологии. Толстопленочные интегральные датчики давления серии 75 выпустила фирма Tobar Inc (США) [38] с точностью измерений 0,2 %.

В настоящее время для измерения давления широкое применение находят датчики, принцип действия которых основан на теории пьезоэффекта. Фирма Kistler, обеспечивающая измерение давлений в диапазоне 0,2–2000 Па, использует два вида датчиков: пьезоэлектрические с кварцевым чувствительным элементом и пьезорезистивные [40–43]. На поверхности мембраны с помощью диффузии или ионной имплантации формируется схема из четырех резисторов, образующих мост Уинстона. Резисторы располагают таким образом, чтобы два испытывали растяжение, а два –сжатие. Обычно мембрана датчиков имеет квадратную форму, а резисторы располагаются на максимальном расстоянии друг от друга параллельно ее сторонам так, чтобы два резистора были параллельны, а два – перпендикулярны оси [110] на подложке с кристаллографической структурой [001].

В пьезорезистивных датчиках давления другого вида используется деформация на срез в резисторе, находящемся недалеко от центра мембраны под углом 45 к ней. Такие датчики имеют четыре вывода: два для подачи напряжения на резистор и два для снятия напряжения в центре резистора.

Пьезорезистивные измерительные преобразователи выпускают фирмы Wika, Siemens (ФРГ), Druck (Великобритания), Virbo Meter AG (Швейцария), Endevco, Micro Switch, Foxboro ICT, Sensor (США), Philips [38]. Принципиальным отличием чувствительных элементов датчиков фирмы Endevco является использование вместо однородной по толщине мембраны специальным образом профилированных мембран с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов. Это значительно увеличивает прочность мембраны, позволяет получить более высокую чувствительность при сохранении собственной резонансной частоты либо увеличить резонансную частоту при сохранении чувствительности. Достоинствами датчиков этой фирмы являются достаточно высокий уровень выходного сигнала (до 0,5 В), высокая точность, виброустойчивость.

Диффузионные пьезорезистивные сенсоры на основе монокристаллического кремния имеют ограниченный верхний температурный предел работы (120–150) С из-за использования р-n перехода [44]. Применение лазерной рекристаллизации слоев поликремния на диэлектрических подложках позволяет разрабатывать пьезорезистивные сенсоры механических величин, варьировать в достаточно широких пределах структуру рекристаллизованных слоев и их ориентацию. Эти сенсоры благодаря своей миниатюрности, высокой собственной частоте, широкому диапазону рабочих температур и оптимальным метрологическим характеристикам могут применяться в различных отраслях промышленности и народного хозяйства. Они позволяют улучшить обобщенную характеристику качества: произведение чувствительности сенсора на его граничную частоту и температурный диапазон работы.

Одна из последних разработок сенсоров давления, основанных на пьезорезистивном эффекте, произведена в Дуйсбурге (Германия). В середине кремниевой пластины площадка размером 11 мм протравлена с задней стороны таким образом, чтобы она работала как мембрана. На нее нанесены пьезосопротивления. Стандартные трехмикрометровые КМОП интегральные схемы располагаются вокруг чувствительного элемента. При этом температурная зависимость чувствительности уменьшена в 25 раз (до 0,08 %/10С) [45].

Для измерения быстропеременных давлений жидких, газообразных агрессивных и неагрессивных сред в жестких условиях эксплуатации широкое распространение получили пьезоэлектрические датчики. Основными критериями выбора пьезоматериала и конструкции чувствительного элемента являются величина пьезоэлектрической чувствительности, механическая прочность, сопротивление изоляции и стабильность электромеханических характеристик в рабочих условиях эксплуатации. Требованиям по прочности, устойчивости к воздействию температуры и давления наиболее полно соответствуют композитные пьезокерамические материалы ТВ–2, ТВ–3, ТНВ, ЦТСБ и кварц. Технический уровень пьезодатчиков, использующих пьезокерамические модули ПМ–2, ПМ–3, ПМ–8 и пьезоэлементы ПЭСД–20 – ПЭСД–22, не уступают мировому уровню [46].

Пьезорезонансные датчики давления, в конструкции которых в качестве упругого элемента используется кварц, позволяют реализовать два основных требования: качественное преобразование давления за счет совершенных упругих свойств материала упругого элемента и выработку пропорционального электрического сигнала за счет тензочувствительности монокристаллического кварца [47]. На базе кварцевых пьезорезонансных чувствительных элементов разработан преобразователь давления «Кварц ДИ». Он представляет собой мембранную коробку из кварца, спаянную легкоплавким стеклом, на одной из мембран предусмотрен резонатор (кварцевый сдвоенный электрод). Измеряемое давление через разделительную мембрану и жидкость вызывает деформацию мембранной коробки и соответствующее изменение резонансной частоты резонатора. Это изменение частоты преобразуется в токовый или частотный выходной сигнал [48].

Однако недостаточное использование пьезорезонансных преобразователей давления предопределяется сложностью технологии изготовления, где велик процент ручных сборочных и доводочных операций, а также отсутствием метрологических исследований и оценок точностных параметров. Дальнейшие работы по совершенствованию полупроводниковых датчиков давления ведутся в направлении использования поперечного пьезоэффекта. При этом возможно значительное улучшение температурной стабильности нуля и чувствительности без индивидуальной температурной настройки датчиков.

В мире ведутся интенсивные разработки по практическому использованию оптических световодных систем измерения физических величин. Это обусловлено следующими их достоинствами: нечувствительностью к воздействию внешних электромагнитных помех и безопасностью эксплуатации в пожаро- и взрывоопасных условиях. Появились пьезооптические световодные датчики давления, которые находят применение в промышленных системах контроля и авторегулирования в аэродинамических и гидродинамических комплексах [49].

Одним из наиболее перспективных направлений построения датчиков давления является применение емкостного метода. Для емкостных датчиков физических величин характерны потенциально высокая термоустойчивость, стабильность метрологических характеристик во времени, отсутствие шумов и самонагрева. Также к их достоинствам можно отнести то, что изменение выходного сигнала, соответствующего верхнему пределу измеряемого давления, может превышать 100 % от начального, а у тензорезисторных датчиков это изменение менее 1 % и ограничено механической прочностью тензорезисторов. В емкостных датчиках одной обкладкой служит кремниевая мембрана, полученная локальным травлением исходной пластины с двух сторон. Травление с обратной стороны необходимо для обеспечения точного и одинакового зазора между обкладками конденсатора и для изготовления паза для вывода второй обкладки конденсатора, которая выполняется металлизацией на изолированной подложке [38]. Кремниевая мембрана с помощью массивного основания соединяется с изолированной подложкой – таким образом обеспечивается определенный зазор между обкладками, а следовательно и определенное значение емкости.

Емкостные датчики давления измеряют интегральные значения микродеформации упругого чувствительного элемента, которые практически несоизмеримы с локальными поверхностными деформациями от остаточных напряжений в материале, что и определяет их стабильность во времени [50].

Реализация потенциальных возможностей емкостных датчиков сдерживалась проблемами конструирования, технологического и схемотехнического характера, малыми значениями емкостей и изменением параметров кабельной линии, действием кабельного эффекта, и особенно – влиянием температуры. Производство емкостных датчиков требует высокой технологической культуры [51]. В связи с этим их серийный выпуск в СНГ был сильно ограничен. Зарубежные же фирмы выпускают достаточно широкую номенклатуру унифицированных, технически совершенных емкостных датчиков избыточных, абсолютных и разности давлений.

Фирма Settle Systems (США) выпускает емкостные датчики с вторичными преобразователями типа 280 Е для измерения абсолютного и избыточного давления жидких и газообразных сред. У них стандартный выходной сигнал, малые гистерезис и погрешность при широком диапазоне измерений. В емкостном датчике перепада давления фирмы Philips измерительный узел полностью изготовлен из спекаемой оксидной керамики. Измерительный блок представляет собой плату, на обеих сторонах которой сформированы обкладки конденсаторов, соединенные между собой отверстием, заполняемым несжимаемой жидкостью. Разность давлений обратно пропорциональна разности емкостей конденсатора. В зависимости от толщины мембраны меняется диапазон измерения.

Фирма Onera (Франция) разработала пленочные датчики давления, температуры и теплового потока при конвективном теплообмене. Датчики, выполненные из пленки толщиной 80 мкм, наклеиваются на контролируемую поверхность без предварительной механической обработки, необходимой при использовании традиционных датчиков. Чувствительный элемент емкостных датчиков давления формируется из гибкой пленки диэлектрика «Kapton» толщиной 6…10 мкм, устойчивой к температуре до 300 °С. Покрытая с двух сторон металлом, она образует конденсатор. Давление, воздействующее на чувствительный элемент, изменяет емкость конденсатора, которая впоследствии измеряется электронным устройством [38].

В Центральной исследовательской лаборатории японской фирмы Omron Corp на основе микрообработки кремния создан новый датчик давления для таких областей применения, как промышленная заводская автоматика, медицинское приборостроение и электронные системы автомобилей. Отличительной чертой датчика является то, что подвижная диафрагма (обкладка) конденсатора, воспринимающая измеряемое давление, представляет собой круглую мембрану, скрепленную с кремниевым основанием (подложкой датчика) как по своей внешней окружности, так и в середине. Эта конструкция позволила значительно улучшить линейность характеристики «вход–выход» датчика. Нелинейность не превышает 0,7 % от предела измерений. Такая нелинейность вдвое меньше, чем у известных интегральных емкостных датчиков с одинаковым перемещением всей плоскости подвижного элемента. Разработчики считают, что новая конструкция емкостного чувствительного элемента обеспечит практическую реализацию дешевых высококачественных датчиков давления [52].

Высокие потенциальные возможности новых емкостных датчиков давления могут быть реализованы лишь в сочетании с вторичными преобразователями, соответствующими им по техническому совершенству. Данную проблему удачно решают ученые Санкт–Петербургского государственного технического университета [53,54].

В последнее время появились сообщения о волоконно–оптических датчиках давления [55,56]. Их принцип действия основан на модуляции мощности излучения первичного светового потока с помощью внешнего чувствительного элемента, который воспринимает воздействие давления. Эти датчики не чувствительны к влиянию электромагнитных полей и изменению температуры окружающей среды, совершенно взрыво– и пожаробезопасны, могут быть использованы для работы в условиях удаленности сенсорной части от устройства обработки на десятки метров. Волоконно–оптические датчики могут работать в жидких и газовых средах, в том числе агрессивных, как одиночные датчики, так и в составе распределенных систем пассивного контроля с применением оптических методов уплотнения информации. Эти датчики могут изготавливаться с использованием групповой технологии микроэлектроники и на той же элементной базе, что и быстроразвивающиеся волоконно–оптические системы связи.

Как показывает анализ, несмотря на то, что различными иностранными фирмами и отечественными производителями применяются самые разнообразные принципы действия датчиков, практически все современные приборы давления характеризуются примерно одинаковым уровнем технических характеристик, соответствующих точности преобразования до 1 %.

Повышение требований к точности измерений давления (разности давлений) в широком диапазоне температур и рабочих избыточных давлений вызвало необходимость использования средств цифровой обработки измерительной информации в датчиках. Одно из следующих направлений развития измерительных преобразователей – создание так называемых «интеллектуальных» датчиков с микропроцессорной обработкой информации. Особенностями этих датчиков являются малая погрешность измерения (до 0,1 %), что обусловлено возможностью компенсации нелинейности статической характеристики, коррекции его выходного сигнала при воздействии ряда возмущающих величин (температуры, статического давления, параметров питания и др.); возможность дистанционного управления статическими и динамическими характеристиками датчика; дистанционный контроль его работоспособности.

Совмещение в одной конструкции чувствительных элементов с предварительными преобразователями сигналов, вычислительными устройствами и интерфейсами позволяет получить ряд неоспоримых преимуществ: сократить до двух–четырех число проводов в линии связи, сформировать высокоуровневый выходной сигнал, обеспечить встраиваемость этих преобразователей в системы, предназначенные для работы с датчиками традиционных типов.

«Интеллектуальные» датчики давления создаются рядом зарубежных фирм, среди которых можно выделить Rosemount, Honeywell, Foxboro (США), Satt Control (Швеция) и др. [57] .

В 1994 г. в НИИ «Теплоприбор» изготовлены опытные образцы «интеллектуальных» датчиков давления и были проведены испытания экспериментальных образцов и блока диалога. На датчик воздействовала повышенная температура окружающей среды, изменялось избыточное рабочее давление, были имитированы электромагнитные помехи. Опыты показали, что коэффициент подавления погрешностей этих датчиков составляет 150–250.

При измерении давлений можно выделить три вида измерений:

1. измерение давления в некотором объеме или среде;

2. измерение разности между давлением в некотором объеме и атмосферным давлением, которое в данном случае принимается за начальное;

3. измерение разности давлений в двух объектах.

В первом случае говорят об измерении абсолютного давления, во втором – об измерении избыточного давления или просто давления; при этом, если давление меньше атмосферного, его называют вакуумом или разрежением. В третьем случае говорят об измерении разностного давления [58].

Основное внимание при создании перспективных датчиков статико–динамических давлений необходимо уделять повышению стабильности метрологических характеристик, снижению температурных погрешностей при воздействии термоудара, расширению частотного диапазона (для измерения ударно–волновых процессов), оптимизации конструкций чувствительных элементов, дальнейшей миниатюризации.

Разработки таких датчиков ведутся в основном по тонкопленочной и полупроводниковой технологиям с использованием тензорезисторного, пьезорезистивного и емкостного принципов.

Рассмотрим технические характеристики датчиков в соответствии с приведенной классификацией (приложение 1) [59–76].

При измерении импульсных давлений применяются в основном методы, основанные на зависимости физических свойств среды от давления, или методы, при которых давление передается некоторому телу и затем используется зависимость физических свойств этого тела от давления. Достоинствами первой группы методов является то, что картина поля давлений остается неизменной. При использовании датчика, вносимого в среду, можно выделить при измерении следующие этапы преобразований:

1. преобразование поля давлений в среде в поле давлений на поверхности датчика;

2. преобразование поля давлений на поверхности в поле напряжений внутри датчика;

3. преобразование поля напряжений в деформацию датчика;

4. преобразование деформации в электрический сигнал.

Характерные погрешности при измерении импульсных давлений возникают на первом, третьем и четвертом этапах преобразования. Погрешности первого этапа связаны с искажением поля давления. Особенностью импульсных давлений является высокая частота и, следовательно, относительно малая длина волны. Поэтому размеры вносимых в среду датчиков оказываются сравнимыми с длинами волн и могут вызывать существенное искажение поля давлений из-за дифракции. Для того чтобы искажение поля было минимальным, размеры датчика должны быть меньше длины волны.

Погрешности третьего этапа преобразования определяются инерционностью преобразования, т.е. собственной частотой датчика, которая должна быть значительно выше частоты измеряемых давлений. Погрешности четвертого этапа связаны с помехами, вызываемыми действием источника импульсного давления.

При разработке и совершенствовании датчиков быстропеременных, акустических и импульсных давлений основное внимание следует уделять термо- и виброустойчивости, уменьшению габаритных размеров. В настоящее время эти вопросы во многом решены благодаря оптимизации конструкций чувствительного элемента, использованию прогрессивных технологий, применению в качестве пьезоматериалов кварца и высокотемпературных пьезокерамических материалов (до 700 С) [77].

Основные достижения в уменьшении габаритных размеров, повышении чувствительности и виброустойчивости по датчикам акустических давлений обусловлены использованием пьезорезистивного метода преобразования.