Полупроводниковый датчик давления

 

Использование: в первичных преобразователях давления, в электрический сигнал. Цель - повышение точности и снижение трудоемкости юстировки датчика. Сущность изобретения: датчик содержит пьезомост 10, сформированный на кремниевом упругом элементе и соединенный одной диагональю с управляемым источником питания 11 пьезомоста, а другой- с дифференциальным усилителем 12, имеющим вход 13 смещения сигнала, а также термомост 14, измерительная диагональ которого соединена с операционными усилителями 17, 18 с резисторами 23, 24 в цепях обратной связи. Для повышения точности и снижения трудоемкости юстировки датчика в нем один конец диагонали термомоста с большим по абсолютной величине градиентом напряжения от температуры подключен к инверсным входам двух операционных усилителей 17, 18, через резисторы 21, 22, а другой конец диагонали - к их прямым входам, в свою очередь выход одного из операционных усилителей 17 соединен с входом 13 смещения сигнала дифференциального усилителя 12 пьезомоста, а выход другого усилителя 18 - с управляющим входом источника питания 11 пьезомоста. 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в первичных преобразователях давления в электрический сигнал для систем автоматического управления в информационных, контрольных и других приборах, работающих в широком диапазоне температур, в частности в электронных системах зажигания автомобилей.

Известен полупроводниковый датчик давления, содержащий пьезомост, сформированный на кремниевом упругом элементе и соединенный одной диагональю с управляемым источником питания пьезомоста, а другой с дифференциальным усилителем [1] В сигнале пьезомоста кремниевого датчика присутствуют два рода температурных погрешностей.

Во-первых, при изменении температуры кристалла изменяются длина и пьезорезистивные свойства резисторов пьезомоста, что изменяет их чувствительность. При этом выходной сигнал изменяется пропорционально изменению чувствительности пьезорезисторов и имеет характер мультипликативной погрешности. Для ее компенсации следует изменять ток питания пьезомоста обратно пропорционально изменению чувствительности.

Во-вторых, разница в реальных параметрах пьезорезисторов, наличие балансировочного резистора и температурные деформации мембраны при неизменном давлении приводят к появлению аддитивной погрешности, складывающейся с полезным сигналом. Для ее компенсации из сигнала пьезомоста вычитают некоторую величину, пропорциональную температуре.

Схема построения известного датчика позволяет компенсировать мультипликативную составляющую влияния температуры на выходной сигнал, однако не оказывает влияния на аддитивную составляющую.

Наиболее близким техническим решением является полупроводниковый датчик давления, содержащий пьезомост, сформированный на кремниевом упругом элементе и соединенный одной диагональю с управляемым источником питания пьезомоста, а другой с дифференциальным усилителем, имеющим вход смещения сигнала, а также термомост, измерительная диагональ которого соединена с операционными усилителями с резисторами в цепях обратной связи [2] Известное техническое решение позволяет компенсировать как мультипликативную, так и аддитивную составляющие температурной погрешности. Однако процесс юстировки датчика по данной схеме весьма сложен из-за взаимовлияния этих двух составляющих, что требует их одновременной компенсации. Неизбежно возникающие при этом технологические погрешности снижают точность юстировки датчика.

Целью изобретения является повышение точности и снижение трудоемкости юстировки датчика давления за счет раздельной компенсации аддитивной и мультипликативной погрешностей. Для этого в полупроводниковом датчике давления, содержащем пьезомост, сформированный на кремниевом упругом элементе и соединенный одной диагональю с управляемым источником питания пьезомоста, а другой с дифференциальным усилителем, имеющим вход смещения сигнала, а также термомост, измерительная диагональ которого соединена с операционными усилителями с резисторами в цепях обратной связи, один конец диагонали термомоста с большим по абсолютной величине градиентом напряжения от температуры подключен к инверсным входам двух операционных усилителей через резисторы, а другой конец диагонали к их прямым входам, в свою очередь выход одного из операционных усилителей соединен с входом смещения сигнала дифференциального усилителя пьезомоста, а выход второго усилителя с управляющим входом источника питания пьезомоста. Это позволяет корректировать напряжение питания пьезомоста в зависимости от температуры, компенсируя тем самым мультипликативную составляющую погрешности, и задавать смещение на дифференциальный усилитель, компенсируя аддитивную погрешность.

На фиг.1 показан чувствительный элемент кремниевого датчика давления; на фиг. 2 принципиальная схема датчика; на фиг.3-8 варианты построения термомостов.

Основой полупроводникового датчика давления является пьезомост (фиг.1), состоящий из четырех пьезорезисторов 1 и 2, расположенных на кремниевой мембране 3 в зонах действия максимальных сжимающих и растягивающих напряжений. Мембрана сформирована на кремниевом кристалле 4 селективным травлением. Пьезорезисторы 1, выделяющие растягивающие напряжения и пьезорезисторы 2, выделяющие сжимающие напряжения, включены в противоположные плечи пьезомоста. Пьезомост сбалансирован при определенном перепад давлений на мембрану резистором 5, расположенным на кристалле или вне его. На концы 6 и 7 диагонали питания подается питающий ток, с концов 8 и 9 измерительной диагонали снимается сигнал, характеризующий давление.

На фиг.2 изображена принципиальная схема датчика. Он содержит пьезомост 10 с источником питания пьезомоста 11, измерительный дифференциальный усилитель 12 с отдельным входом смещения 13, термомост 14 с внешним или внутренним источником питания 15, на который подается термостабильное опорное напряжение Vr от внешнего или внутреннего источника опорного напряжения 16, а также два корректора 17 и 18 соответственно аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности, выполненных на операционных усилителях. Конструктивно схема выполнена в виде микросборки кристаллов так, что все элементы находятся в одинаковых температурных условиях.

Источник питания 15 термомоста выполнен на операционном усилителе, на прямой вход которого подано опорное напряжение Vr от внутреннего термостабильного источника напряжения 16. Возможно питание термомоста от внешнего источника тока или напряжения. Термомост сбалансирован при опорной температуре юстировки датчика давления, с концов его измерительной диагонали 19 и 20 снимаются два напряжения Vt1 и Vt2 соответственно, разность которых пропорциональна отклонению температуры от опорной.

В отличие от традиционных схем термомостов, выделяющих температурный сигнал, где температурные градиенты напряжений Vt1 и Vt2 стремятся получить с разными знаками, термомост 14 формируется из активных термочувствительных и пассивных элементов так, чтобы знаки температурных градиентов напряжений Vt1 и Vt2 были одинаковыми, а температурный градиент напряжения Vt1 был на 20 40% ниже по абсолютной величине, чем градиент Vt2 Sign(dVt1/dT)=Sign(dVt2/dT), (1) dVt1/dT=(0,5 0,8)dVt2/dT (2) Первое условие определяет возможность компенсации погрешностей с положительным и отрицательным температурным градиентом, второе близкие диапазоны их возможных коррекций.

Различные варианты построения термомостов, отвечающих названным требованиям, приведены на фиг.3-8. В качестве чувствительных активных элементов термомоста могут использоваться диоды, имеющие температурный градиент около 2мВ/^oС (фиг. 3), причем диоды смежных плеч могут быть объединены (фиг.4,5 и термомост 14 на фиг.2), включены в верхние смежные плечи (фиг.6,7) при питании моста источником напряжения. Для получения требуемой зоны возможной корректировки погрешностей с положительным и отрицательным температурным градиентом диоды могут быть включены не в два, а в три (фиг.8) и большее число плеч. Вместо диодов в термомостах могут быть использованы и терморезисторы.

Конец 19 (фиг.2) измерительной диагонали термомоста 14 с меньшим по абсолютной величине температурным градиентом соединен с прямыми входами двух операционных усилителей 17 и 18, а конец 20 этой диагонали с большим температурным градиентом через резисторы 21 и 22 с инверсными входами усилителей 17 и 18. Выходной сигнал усилителей 17 и 18 равен Vo=Vt1+K(Vt1-Vt2), где K коэффициент усиления, равный отношению сопротивлений резисторов 23 и 21 для усилителя 17 и резисторов 24 и 22 для усилителя 18.

Резисторы 21 или 23 для усилителя 17 и 22 или 24 для усилителя 18 имеют возможность регулировки, например лазерной подрезкой, такой, что величину коэффициента усиления K можно регулировать от 0,5 до 150. При малых значениях K температурный градиент напряжения Vo совпадает по знаку и близко по абсолютной величине к градиенту напряжения Vt1, при увеличении K до величины, равной от 2 до 5, в соответствии с условием (2) температурный градиент напряжения Vo будет проходить через нуль. При дальнейшем увеличении значения K температурный градиент напряжения Vo будет иметь знак, противоположный градиенту напряжения на концах диагонали термомоста 14. Таким образом, отдельно настраивая коэффициенты усиления усилителей 17 и 18 соответствующими резисторами, можно сформировать сигнал температурной коррекции раздельно для аддитивной и мультипликативной погрешности.

Дифференциальный усилитель 12 выполнен по классической схеме на трех операционных усилителях, его дифференциальные входы 25 и 26 подключены к концам измерительной диагонали пьезомоста 10. К входу смещения 13 дифференциального усилителя 12 непосредственно или через дополнительный усилительный каскад присоединен выход операционного усилителя 17. Коэффициент усиления усилителя 17 за счет подгонки сопротивления резистора 21 или 23 выбирается таким, чтобы скомпенсировать аддитивную составляющую погрешности.

Выход операционного усилителя 18 задает опорное напряжение для источника питания 11 пьезомоста. В качестве источника питания пьезомоста может быть использован управляемый источник тока или напряжения. На фиг.2 показан источник питания, выполненный на операционном усилителе и выдающий на питающую диагональ пьезомоста такой ток, чтобы напряжение на конце его измерительной диагонали, подключенном к инверсному входу операционного усилителя источника питания 11, было равно опорному. Тогда ток через пьезорезисторы будет определен выходным напряжением усилителя 18. Коэффициент усиления усилителя 18 за счет подгонки сопротивлений резисторов 22 или 24 выбирается таким, чтобы скомпенсировать мультипликативную составляющую погрешности.

Пьезомост балансируется подстроечным резистором 27 при определенном давлении и опорной температуре юстировки. Резистором 28 выбирается такой коэффициент усиления дифференциального усилителя 12, чтобы снимаемый с его выхода 29 сигнал соответствовал заданной шкале.

При деформации мембраны пьезомоста из-за действия перепада давлений на концах 25 и 26 его измерительной диагонали (фиг.2) появляется сигнал, характеризующий давление и усиливаемый дифференциальным усилителем 12. Однако в выходном сигнале усилителя присутствуют температурные погрешности, вызванные разностью свойств пьезорезисторов, температурными деформациями кристалла и другими факторами. Все это приводит к параллельному смещению характеристики датчика U(P) под действием температуры (аддитивной составляющей погрешности) и развороту ее относительно некоторой точки (мультипликативной составляющей погрешности).

На концы второй диагонали пьезомоста подается напряжение питания с управляемого источника 11, который управляется напряжением, зависящим от температуры, поскольку исходный сигнал на усилитель 18, задающий опорное напряжение на источник 11, подается с диагонали термомоста 14. Коэффициент усиления усилителя 18, определяющий величину и знак температурного градиента источника питания 11 определяется резисторами 22 или 24 и выбирается за счет их лазерной пригонки таким образом, чтобы компенсировать действие мультипликативной составляющей погрешности.

Выходной сигнал усилителя 17, подаваемый на вход смещения 13 дифференциального усилителя 12, также имеет регулируемый по величине и знаку температурный градиент, который за счет регулировки резисторами 21 или 23 выбирается таким, чтобы компенсировать действие аддитивной составляющей погрешности.

Формула изобретения

Полупроводниковый датчик давления, содержащий пьезомост, сформированный на кремниевом упругом элементе и соединенный одной своей диагональю с управляемым источником питания пьезомоста, а второй с дифференциальным усилителем, имеющим вход смещения сигнала, а также термомост, измерительная диагональ которого соединена с операционными усилителями с резисторами в цепях обратной связи, отличающийся тем, что один конец диагонали термомоста с большим по абсолютной величине градиентом напряжения от температуры подключен к инверсным входам двух операционных усилителей через резисторы, а второй конец диагонали к их прямым входам, при этом выход одного из операционных усилителей соединен с входом смещения сигнала дифференциального усилителя пьезомоста, а выход другого усилителя с управляющим входом источника питания пьезомоста.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7