Датчики давления

   Современные датчики давления основаны на различных методах электрического преобразования входных параметров. Выпускаются миниатюрные тензорезисторные, пьезорезистивные, пьезоэлектрические, емкостные с монокристаллическим упругим элементом, использующие эффект Холла и другие датчики давления. На мировом рынке получили широкое распространение электрические датчики с переменным магнитным сопротивлением, конденсаторные датчики с переменной емкостью, виброчастотные преобразователи фирмы Foxboro, тензометрические датчики с использованием тонкопленочных или напыленных металлических резисторов, тензометрические преобразователи с полупроводниковыми тензорезисторами.

     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 стабильность и надежность, технологическая совместимость с интегральными микросхемами обработки сигнала, миниатюрные размеры полупроводниковых чувствительных элементов, возможность применения групповой технологии изготовления являются их основными достоинствами. Поэтому полупроводниковые преобразователи привлекают к себе внимание приборостроителей во всем мире. 

3.1. Ртутные датчики давления

На рис.5 показан простой датчик давления, использующий принцип сообщающихся сосудов. Чаще всего такие датчики применяются для измерения давления газов. U-образный провод с точкой заземления в центре помещается в U-образную трубку с ртутью. Часть этого провода оказывается закороченной ртутью, в результате чего сопротивление в обоих ветвях провода всегда будет пропорционально высоте столбиков ртути. Полученные резисторы включены в схему моста Уитстона, который находится в уравновешенном состоянии пока равно нулю дифференциальное давление в трубке. Давление, приложенное к одному из концов трубки (например, левой) приводит к разбалансировке мостовой схемы и появлению на ее выходе ненулевого сигнала. Чем выше давление в левой части трубки, тем больше сопротивление соответствующего плеча и тем меньше сопротивление противоположного. Выходное напряжение пропорционально разности сопротивлений AR в двух плечах моста, незакороченных ртутью участков провода:

(1) 

Такой датчик обычно калибруется напрямую в торрах. К сожалению, простота является практически единственным его достоинством, потому что он обладает целым рядом существенных недостатков: необходимостью прецизионного выравнивания, плохой помехозащищенностью от ударов и вибраций, большими габаритами и загрязнением газа ртутными парами. Отметим, что такой датчик может использоваться и в качестве детектора наклона, поскольку нулевой сигнал на его выходе при отсутствии внешнего давления на одно из плечей трубки свидетельствует о строго горизонтальном его расположении. 

Рис. 5. U-образный датчик

давления, заполненный ртутью,

применяемый для измерения

давления  газов. 

3.2 Пьезорезистивные датчики

В состав датчиков давления обязательно входят два компонента: пластина (мембрана) известной площади А и детектор, выходной сигнал которого пропорционален приложенной силе F. Оба эти элемента могут быть изготовлены из кремния. Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом пьезорезистивных преобразователей в виде резисторов.  

Существует  несколько методов изготовления кремниевых датчиков давления. В одном из способов используется подложка из кремния n-типа с ориентацией поверхности <100>, на которой методом ионной имплантации бора формируются пьезорезисторы с поверхностной концентрацией примесей, равной 3x10¹⁸ в одном кубическом сантиметре. Один из них (R₁) параллелен, а другой (R₂) перпендикулярен ориентации диафрагмы <110>. Одновременно с формированием пьезорезисторов изготавливаются и другие компоненты схемы датчика: резисторы и р-n переходы, используемые в цепях компенсации температуры, располагающиеся в сравнительно толстой зоне подложки вокруг диафрагмы. В связи с таким расположением они не реагируют на давление, действующее на диафрагму.

Рис.4

Расположение  пьезорезисторов на кремниевой диафрагме. 

Другой  способ изготовления диафрагм основан  на методе сплавления кремния, который позволяет надежно соединять подложки из монокристаллического кремния без применения промежуточных слоев. Этот способ дает возможность формирования микродатчиков (более чем в восемь раз меньших обычных кремниевых датчиков давления диафрагменного типа), которые могут использоваться в преобразователях катетерного типа для проведения медицинских исследований. Такой микродатчик состоит из двух частей: верхней и нижней подложек (рис. 6А). В нижней закрепленной подложке методом анизотропного травления формируется полость по размеру диафрагмы. Толщина нижней подложки составляет 0.5 мм, а требуемая длина диафрагмы — 250 мкм, поэтому в результате анизотропного травления формируется пирамидальная полость глубиной 175 мкм. Следующий шаг заключается в соединении методом сплавления нижней подложки с верхней, состоящей из кремния р-типа с нанесенным эпитаксиальным слоем n-типа. Толщина эпитаксиального слоя соответствует заданной конечной толщине диафрагмы. После этого методом контролируемого травления удаляется часть верхней подложки, в результате чего от нее остается только тонкий слой из монокристаллического кремния, который и образует диафрагму датчика. Далее методом ионной имплантации формируются резисторы, а методом травления проделываются контактные отверстия. На последнем этапе нижняя подложка заземляется и шлифуется до получения желаемой толщины устройства — порядка 140 мкм. Несмотря на то, что размеры такого датчика более чем в половину меньше традиционного кремниевого преобразователя давления, они обладают одинаковой тензочувствительностью. На рис. 6Б показано сравнение двух диафрагм, полученных по разным технологиям. При тех же самых размерах диафрагмы и толщины кристалла, устройство, полученное методом сплавления почти на 50% меньше.

Рис.6. Изготовление кремниевой мембраны методом сплавления кремния:

           А – технологические этапы  изготовления,

           Б – сравнение двух диафрагм, полученных по разным технологиям. 

Пьезорезистивные датчики давления доступны в промышленных масштабах, начиная с 1980-х годов. Типичные параметры таких датчиков:

диапазон  измеряемых давление                            0 - 100 кПа; 
чувствительность                                                3 мВ/кПа при напряжениипитания 10 В; 
рабочая частота                                                100 кГц;

нелинейность  и гистерезис                                    ±0,5%.

Преимущества  и недостатки

Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости, в таком датчике отсутствует ползучесть и гистерезис даже при высоком давлении. Коэффициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника. Обычно тензорезисторы включаются по схеме моста Уитстона. Максимальное выходное напряжение таких датчиков обычно составляет несколько сот милливольт, поэтому на их выходе, как правило, ставятся усилители сигналов. Кремниевые резисторы обладают довольно сильной температурной чувствительностью, поэтому всегда при разработке датчиков на их основе необходимо предусматривать цепи температурной компенсации.

Тоесть можно выделить следующие преимущества:

- высокая  чувствительность,

- хорошая  нелинейность,

- незначительные  гистерезисные явления,

- малое  время срабатывания,

- компактная  конструкция,

- экономичная  планарная технология изготовления.

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

3.3 Емкостные датчики

  В датчиках давления используются также  вторичные преобразователи емкостного типа. Этот подход использовался в традиционных сенсорах с тех пор, как возникло массовое производство измерительной техники. В таких устройствах вся поверхность мембраны действует как обкладка конденсатора. Изображенный на рис. 3.2 чувствительный элемент датчика давления относится к такому типу емкостных датчиков. В качестве одной обкладки конденсатора используется неподвижное металлическое основание, другая обкладка — гибкая мембрана круглой формы, закрепленная по окружности. Мембрана прогибается под действием давления Р, как это показано на рисунке. Емкость при нулевом давлении оперделяется по формуле плоского конденсатора:

   

я

 

          Рис.7. Традиционная конструкция датчика давления. 

  При деформации мембраны среднее расстояние между обкладками конденсатора уменьшается, что приводит к увеличению емкости на величину . Относительное изменение емкости рассчитывается по формуле, предложенной Нейбертом (Neubert) в 1975 г.:     

где: Е — модуль Юнга; v — коэффициент Пуассона и t — толщина мембраны.

  В миниатюрной версии таких приборов используется кремниевая мембрана. Методом  газофазного осаждения металлических пленок формируются верхняя и нижняя обкладки конденсатора. В области, которая не деформируется под действием давления, располагают такой же конденсатор в качестве эталонного для обеспечения температурной компенсации.

Емкостные датчики давления также реализуются  на основе кремниевых диафрагм. В таких  датчиках перемещение диафрагмы  относительно опорной пластины меняет емкость между ними. Емкостные датчики работают наиболее эффективно при невысоких давлениях. Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из кремниевых кристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих характеристик. Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широком диапазоне значений, что делает возможным проведение прямой оцифровки результатов измерений. В то время как для диафрагм,

давление(дюйм Н₂О)

Рис. 8. Отклонение центральной части планарной и гофрированной диафрагм одинаковых размеров при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений.

используемых в пьезорезитивных датчиках, необходимо обеспечивать максимальное механическое напряжение на краях, для диафрагм в емкостных датчиках существенным является перемещение их центральной части. Диафрагмы в емкостных датчиках могут быть защищены от избыточного давления при помощи механических ограничителей с каждой стороны диафрагмы (для дифференциальных датчиков давления). В пьзорезистивных датчиках из-за небольших перемещений такой способ защиты, к сожалению, работает недостаточно эффективно, поэтому для них определяется давление разрыва, которое, как правило, в 10 раз превышает максимальное измеряемое давление, в то время как для емкостных преобразователей с механическими ограничителями эта величина в 100 раз больше. Это особенно важно при работе в области низких давлений, где возможны всплески высокого давления. 
 
 

   Для обеспечения хорошей линейности емкостных датчиков необходимо, чтобы диафрагмы обладали ровной поверхностью центральной части. Традиционно считается, что емкостные датчики обладают линейностью только тогда, когда перемещения диафрагм значительно меньше их толщины. Одним из способов улучшения линейности является использование гофрированных диафрагм, изготовленных методами микротехнологий. Планарные диафрагмы обычно обладают лучшей тензочувствительностью по сравнению с гофрированными тех же размеров и толщины. Однако при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений изгибы гофрированной мембран их значительно ослабляют, что приводит к существенному улучшению линейности и чувствительности таких датчиков (рис. 8). 

3.4  Датчики переменного магнитного сопротивления 

При измерении низких давлений перемещение  тонкой пластины или диафрагмы может  быть небольшим. Фактически, оно может  быть таким маленьким, что тензодатчик, прикрепленный к диафрагме или встроенный в нее, будет выдавать очень низкий выходной сигнал, недостаточный для последующей его обработки. Один из возможных способов решения этой проблемы — использование емкостного датчика, в котором отклонение диафрагмы измеряется по ее положению относительно опорной пластины, а не по напряжению внутри материала. Другим способом решения проблемы измерения очень низких давлений является применение магнитных датчиков. Датчики переменного магнитного сопротивления (ПМС) измеряют изменение магнитного сопротивления дифференциального трансформатора, вызванного перемещением магнитной диафрагмы, возникающего воздействия на нее внешнего давления. На рис. 10. ПА проиллюстрирована основная идея модуляции магнитного потока.  

                                                            Рис. 9. Датчик измерения давления по переменному

                                                                магнитному сопротивлению: А — основной принцип

                                                                                     действия, Б — эквивалентная схема 

   Конструкция, состоящая из Е-образного сердечника и катушки формирует магнитный поток, силовые линии которого проходят через сердечник, воздушный зазор и диафрагму.  Магнитная проницаемость материала сердечника по крайней мере в 1000 раз выше проницаемости воздушного зазора, поэтому его магнитное сопротивление всегда ниже сопротивления воздуха. В связи с этим величина индуктивности всей этой конструкции определяется шириной зазора. При отклонении диафрагмы величина воздушного зазора либо увеличивается, либо уменьшается в зависимости от направления перемещения, что вызывает модуляцию индуктивности.