2.7. Характеристики и параметры мостовых тензорезисторных преобразователей давления

В тензопреобразователях (ТП) чаще всего используется мостовая схема из тензорезисторов (рис. 2.16 а). За счет соответствующего расположения на мембране тензорезисторы R1 и R4 обладают одним знаком тензочувствительности, а R2 и R3 – противоположным. Общую точку резисторов R2 и R4 можно объединить с выводом подложки ИМС преобразователя [35].

Преобразовательную характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения мостовой схемы U_ВЫХот приложенного к мембране избыточного давления q, для двух значений температуры Т₀и Т₁(рис.2.16 б) определяют следующие параметры:

1. Начальный разбаланс U_О– выходное напряжение тензорезисторной схемы при нулевом давлении (q=0) и температуре Т_О. Разбаланс вызван технологическим разбросом номиналов тензорезисторов, полученных в процессе изготовления ТП, а также начальной деформацией чувствительного элемента (ЧЭ). При разбросе номиналов 1 % и напряжения питания моста Еп в несколько вольт разбаланс составит, в худшем случае, несколько десятков процентов номинального выходного сигнала.

2. Диапазон линейного преобразования q – область давлений, в которой выходной сигнал мостовой схемы U_ВЫХлинейно (с определенной степенью точности) зависит от значения q:

(2.23)

где q'_НОМ, q''_НОМ– номинальные диапазоны линейного преобразования положительного и отрицательного избыточных давлений соответственно.

Различные ТП имеют разные диапазоны линейного преобразования, которые изменяются в очень широких пределах от единиц кПа до сотен МПа. Нелинейность преобразовательной характеристики определяется несколькими причинами, которые условно можно разбить на три категории: а) нелинейность преобразования давления в механические напряжения; б) нелинейность пьезорезистивного эффекта; в) нелинейность измерительной электрической схемы.

Рис. 2.16. Мостовая тензорезисторная схема (а) и преобразовательная

характеристика (б) интегрального ТП

3. Сдвиг преобразовательной характеристики q_ообусловлен в различиях диапазона q'_НОМи q''_НОМлинейного преобразования положительного и отрицательного давления. В свою очередь, указанное различие объясняется, во-первых, различной нелинейностью при подаче избыточного давления с разных сторон мембраны, во-вторых, начальной деформацией мембраны при нулевом давлении (q=0) и нормальной температуре (Т=Т_О). Эта деформация определяется механическими напряжениями, возникающими на границе кремний – двуокись кремния после термического окисления. Сдвиг q_oопределяется следующим образом:

(2.24)

Для мембраны диаметром 1 мм, толщиной 10–20 мкм при толщине окисла SiO₂0,4–0,6 мкм сдвиг q_оможет достигать 10кПа.

4. Чувствительность ТП S_О(при температуре Т_О). Определяется как отношение приращения выходного сигнала к приращению приложенного давления, отнесенное к напряжению питания мостовой схемы Е_П:

(2.25)

Чувствительность ТП зависит от многих факторов, таких как ориентация ТР относительно кристаллографических осей кремния, их местоположение на мембране, степень легирования кремния.

5. Температурный дрейф нуля U_mo(%/град) – приращение выходного напряжения в отсутствии приложенного давления, отнесенное к номинальному значению выходного сигнала U_{ВЫХ. НОМ}, при изменении температуры на 1С

(2.26)

Напряжение U_{ВЫХ.НОМ}, в свою очередь, определяется как

(2.27)

где q_НОМ=q'_НОМ, q''_НОМ.

Температурный дрейф вызывается рядом причин, главная из которых – технологический разброс температурных коэффициентов сопротивлений (ТКС) тензорезисторов.

6. Температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) (% /град) – относительное изменение чувствительности при изменении температуры на 1С:

(2.28)

Этот параметр обусловлен наличием температурной зависимости тензочувствительности полупроводниковых ТР и определяется в основном степенью легирования примесями, а также зависимостью упругих постоянных от температуры.

Таким образом, реально существующие погрешности ТП определяются принципом работы и технологией изготовления. Поэтому для создания унифицированных датчиков, обеспечивающих полную взаимозаменяемость при установке в различные агрегатированные комплексы и системы, необходима настройка следующих параметров:

1) напряжения U_О (балансировка мостовой схемы);

2) номинального выходного напряжения (градуировка);

3) дрейфа нуля в заданном диапазоне температуры;

4) изменения чувствительности преобразователя с температурой.