2.12. Некоторые применения датчиков давления

2.12.1. Интегральные преобразователи давления с профилированной мембраной

Фирма ENDEVCO (США) выпускает серию диффузионных тензорезисторных преобразователей давления в нескольких конструктивных вариантах торцевого типа. Один из самых больших преобразователей имеет резьбовую торцевую конструкцию диаметром 5 мм. Диаметр области, чувствительной к давлению, составляет 2 мм. Принципиальным отличием чувствительных элементов преобразователей ENDEVCO является то, что вместо однородной по толщине мембраны в них использованы специальным образом профилированные мембраны с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов. Это позволяет получить более высокую чувствительность при сохранении собственной резонансной частоты, либо увеличить резонансную частоту при сохранении чувствительности. Кроме того, это значительно увеличивает прочность мембраны.

Принцип устройства такого чувствительного элемента на примере мембранного преобразователя давления иллюстрируется рис.2.28.

Рис. 2.28. Принцип устройства чувствительного элемента преобразователей

ENDEVCO:

1 – области расположения тензорезисторов с обратной (планарной) стороны пластины; 2 – тензорезисторы; 3 – контактные площадки

Жесткий центр мембраны, состоящий из двух островков пластины исходной толщины, сформирован анизотропным травлением. Узкая полоска между двумя островками и полоска между островком и "берегом" – толстым кольцевым основанием мембраны являются концентраторами механических напряжений, возникающих при воздействии избыточного давления (рис. 2.28 а). Следует отметить, что напряжения, возникающие в центральной и боковой полосках, имеют разные знаки. Если расположить два тензорезистора в центре, а два других – с края вдоль полоски так, как показано на рис. 2.28 б, то с их помощью можно образовать полную мостовую тензорезисторную схему. В преобразователях ENDEVCO плоскость мембраны ориентирована в плоскости (100), а направление полосок–концентраторов и продольной оси тензорезисторов соответствует направлению <110>. В мостовую схему тензорезисторы объединяются с помощью металлизированных токоведущих дорожек, которые выходят на периферию кристалла к контактным площадкам.

Кроме указанных выше преимуществ преобразователи с концентраторами напряжений обладают лучшей линейностью и существенно большим диапазоном линейного преобразования по сравнению с преобразователями на основе плоских мембран.

2.12.2. Интегральные преобразователи давления на основе

гетероэпитаксиальных структур

Использование в ЧЭ гетероэпитаксиальных монокристаллических полупроводниковых пленок на монокристаллических диэлектрических подложках открывает возможности улучшения ряда характеристик ТП. Наиболее широко используются пленки кремния на сапфире (КНС). Тензорезисторы в этом случае не имеют изолирующего p-n перехода и могут использоваться до температур, определяемых собственными свойствами кремния. Особенности электрофизических свойств структур КНС позволяют создать ЧЭ с малой температурной погрешностью выходного сигнала до (0.03 – 0.3) %/10 град в широком диапазоне температур от –200 до +400 C, что обеспечивает высокую точность и надежность. Преобразователь давления "Кристалл", разработанный НИИ "Теплоприбор", является первым отечественным прибором с ТП, серийно выпускаемым с 1973 г. Преобразователи предназначены для работы в системах автоматического контроля, управления и регулирования параметров технологических процессов и выдают информацию об измеряемом избыточном давлении жидкости или газа в виде стандартного токового сигнала 0–5 мА.

Конструктивно датчик состоит из тензопреобразователя на основе КНС–структуры, встроенного усилителя на основе серийных операционных усилителей УТ401 и корпуса [35].

Кристаллографическая ориентация гетероэпитаксиальной пленки кремния p-типа на поверхности сапфировой мембраны соответствует плоскости (100). Поэтому топология расположения тензорезисторов (ТР) совпадает с показанной на рис. 2.29.

Преобразователи на основе КНС–структур отличает высокая стабильность характеристик. Нестабильность выходного сигнала за 18 тыс. часов непрерывной работы не превышает 0.1 % .

На основе КНС–структур созданы комплексы промышленных тензорезисторных датчиков "Сапфир" и "Сапфир–22", включающие датчики абсолютного и избыточного давлений, разрежения, разности давлений, расхода жидкостей и газов, уровня жидких сред.

Комплекс "Сапфир–22" предназначен для взрывобезопасного производства и имеет улучшенные технико–экономические показатели. Перестраиваемый диапазон измерений позволяет перекрыть широкий диапазон измеряемых давлений (от 400 Па до 100 МПа) и все измеряемые параметры 28 моделями с четырьмя типами тензопреобразователей. Погрешность преобразования датчиков, имеющих унифицированный выходной сигнал (4–20, 0–5 или 0–20 мА), составляет 0.1 и 0.25 % , включая нелинейность, гистерезис и повторяемость значения сигнала. Рабочий диапазон температур окружающего воздуха –50 … +90 C, измеряемой среды –50…+120 C. Датчики разработаны в пыле- и водозащищенном исполнении и могут использоваться для измерения параметров различных химически активных сред [35].

Рис. 2.29. Расположение однополосковых тензорезисторов р-типа

с положительной и отрицательной чувствительностью

на мембране с ориентацией кристалла (001)