2.6. Кремниевые датчики

Для практики представляют интерес лишь относительно недорогие кремниевые датчики давления, имеющие выходной сигнал чаще всего порядка нескольких вольт. Обычно такой датчик изготавливают из кремниевой пластины, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Методом ионной имплантации на мембране выполняют резистивные элементы с межсоединениями. При изменении давления мембрана прогибается, и под действием пьезорезистивного эффекта происходит изменение сопротивления резистивных элементов. Толщина мембраны, как и геометрическая форма резисторов, определяется областью допустимых давлений. Преимуществами широко распространенных датчиков этого типа являются:

– высокая чувствительность;

– хорошая линейность;

– незначительные гистерезисные явления;

– малое время срабатывания;

– компактная конструкция;

– экономичная планарная технология изготовления.

Таблица 2.1

Области применения датчиков давления

Уровень давления	Применение
40 мбар	Измерение уровня жидкости в стиральных и посудомоечных машинах
100 мбар	Пылесосы, контроль фильтров, измерение расхода
200 мбар	Измерение кровяного давления
1 бар	Барометр, регулировка зажигания и впрыска в автомобильных двигателях
2 бар	Измерения разрежения на такте всасывания в автомобильных двигателях
10 бар	Измерение давления масла из сжатого воздуха в тормозной системе автомобиля; холодильники
50 бар	Пневматические системы, промышленные роботы
500 бар	Гидравлические системы, строительные машины

Недостаток, заключающийся в повышенной температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.

Область применения датчиков давления определяется возможным диапазоном измеряемых давлений (табл.2.1) [80].

Четыре однотипных пьезорезистора образуют мост, как показано на рис. 2.14. При этом отдельные резисторы (R1...R4) соединены так, что при прогибе мембраны сопротивление резисторов R1 и R3 возрастает, а у R2 и R4 – уменьшается. В результате достигается высокая чувствительность измерительного моста. Выходное напряжение U_Асоответствует тогда уравнению

(2.22)

Рис.2.14. Измерительный мост из четырех идентичных пьезорезисторов, составляющих в совокупности датчик давления

Рис. 2.15. Характеристика кремниевого датчика давления

при различных температурах (25 и 125 С)

На рис. 2.15 графически представлена зависимость U_А(p) для типичного кремниевого датчика давления. Здесь же продемонстрировано и влияние температуры на чувствительность.

Поскольку в этом случае максимальное выходное напряжение составляет лишь 0.1 В, для дальнейшей обработки сигнала его нужно усилить еще примерно до 1 В. Такое десятикратное усиление по напряжению с помощью стандартных операционных усилителей (741, LM358 и т.п.) не составляет проблемы, а поэтому согласование сигнала с измерительным прибором осуществляется легко. Для измерений с повышенной точностью следует дополнительно компенсировать температурную погрешность датчиков.