ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ В МОСТОВЫХ СХЕМАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Для высокочувствитель­ных прецизионных измерений с помощью по­лупроводниковых ТР большой интерес приобретают мосты постоянного напряжения. Они не требуют фазовой балан­сировки и последующего выпрямления, что уменьшает затраты и повышает точность. При питании постоянным напряжением, кроме того, значительно проще, чем при питании несущей частотой получить высокостабильное и обладающее малым уровнем пульсаций питающее напряжение. Эти преимущества способ­ствуют все более широкому применению мостов постоянного на­пряжения, и в первую очередь при использовании полупровод­никовых ТР, которые во многих случаях позволяют проводить измерения без усиления.

ТР в преобразователях чаще всего соединяют в схему так называемого моста Уитстона (рис. 17).

Рис. 17. Тензометрический мост с четырьмя активными плечами

К одной диагонали моста подключается напряжение питания U_п. Если мост не сбалансирован, т. е. не нахо­дится в состоянии равновесия, на другой диагонали появляется напряжение U_mL. Ме­жду этими двумя напряжениями существует следующая зави­симость:

Сопротивление ТР можно представить себе состоящим из постоянной и переменной составляющих, т. е.

где

Если все сопротивления моста равны, мост при ΔR_ν= 0 урав­новешен, а в случае рассогласования моста имеет место соотношение

Д ля малых значений r_v в первом приближении можно записать

Отсюда следует, что выходное напряжение моста U_mL пропор­ционально напряжению питания U_n и алгебраической сумме от­носительных изменений сопротивлений. Коэффициент пропорциональности равен 1/4. При достаточно больших относительных из­менениях сопротивлений отношение U_mL/U_п моста нелинейно, т. е. выходное напряжение зависит не только от значений в первой степени, но и от r_v с более высокими степенями.

Преимущество мостовых устройств можно пояснить на ряде специальных примеров:

1. Мост с одним активным плечом r₁ ≠ 0, r ₂ = r ₃ = r₄ == 0 (четвертьмост).

В этом случае

После разложения в степенной ряд и ограничения этого ряда линейным членом получим следующее вы­ражение:

При достаточно большом разбалансе у четвертьмоста наблю­дается нелинейность отношения U_mL/U_п..

2. Мост с двумя активными, одинаково изменяющимися пле-
чами (так называемый чистый полумост). Полумост характеризуется тем, что r₁ = -r₂ , r₃ = r₄ = 0. Для него действительно условие

Выходное напряжение такого моста, при одинаковых значениях r, в два раза выше, чем у четвертьмоста; чистый полумост не обнару­живает нелинейности.

3. Мост с четырьмя активными, одинаково изменяющимися плечами (так называемый чистый полный мост).

Полный мост характеризуется тем, что r₁ = r₃ = - r₂ = - r₄. Для него справедливо следующее отношение:

Выходное напряжение этого моста при равных r_v в четыре раза больше, чем у четвертьмоста, к тому же отсутствует нелиней­ность моста.

Связь с тензометрией получается более очевидной, если вве­сти простейшую (линейную) зависимость между сопротивлением ТР R_v и продольной деформацией ξ:

R = R _{v 0}(l + Kξ _v ),

или

При этом вначале предполагается, что коэффи­циенты К всех ТР одинаковы. Из уравнений (5) - (9) следует, что изменения каждого из сопротивлений моста должны иметь определённую направленность с тем, чтобы не было взаимной компенсации измерительного сигнала.

На рис. 17 показан тензометрический мост с четырьмя активными плечами, включенными так, что все четыре ТР вызывают положительное приращение вы­ходного напряжения.

Как следует из вышеизложенного, для полного тензометрического моста действи­тельно выражение

)

откуда при имеем

У по­лупроводниковых ТР нелинейность настолько ве­лика, что она должна быть учтена наряду с нелинейностью мо­ста; в совокупности нелинейность в целом уменьшается. Без учета нелинейности ТР погрешность от нелинейно­сти в случае четвертьмоста, равна K ξ/2; для К = 120 и ξ = 5 10^-4 она составляет 3%.

Уравнения (7) -(9) в общем виде можно представить как

где – отнесенный к величине напряжения питания моста ко­эффициент относительной тензочувствительности моста.

Наряду с мостами постоянного напряжения применяются также мосты постоянного тока. Питание постоянным током при длинных соединительных линиях обладает тем преимуществом, что исключается влияние изменения сопротивления этих линий (например, вследствие изменения температуры). Кроме того, питание током нередко используется потому, что при этом достигается более благоприятная температур­ная зависимость коэффициента относительной чувствительности моста.

12. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОСТОВЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Включение ТР, как правило, производится по мостовой схеме (рис. 17). За счёт соответст­вующего расположения на мембране тензорезисторы R ₁ и R₃ обладают одним знаком чувствительности, а R ₂ и R ₄ – противоположным. Общую точку тензорезисторов R ₁ и R ₄ можно объединить с выводом подложки интегральной микросхемы преобразователя.

Градуировочной характеристикой называется зависимость между значениями величин на выходе и входе измерительного устройства. В данном преобразователе – это зависимость выходного на­пряжения мостовой схемы U _ВЫХ от приложенного к мембране воздействия, например избыточного давления q, определённая для двух значений температуры T ₀ и T ₁ (рис. 18).

Рис.18. Градуировочные характеристики интегрального измерительного преобразователя: T ₀, T ₁ – номинальная и максимальная допустимая рабочая температура

Градуировочная характеристика определяет следующие параметры:

1. Начальный разбаланс (U ₀) – выходное напряжение при нулевом давлении (q = 0) и температуре T = Т ₀. Разбаланс вызван технологическим разбросом номиналов ТР, а также начальной деформацией ЧЭ. При разбросе номиналов сопротивлений на 1% и при напряжении питания моста U _п порядка нескольких вольт, разбаланс составляет порядка нескольких десятков процентов от номинального выходного сигнала.

2. Диапазон линейного преобразования – это область давлений, в которой вы­ходной сигнал мостовой схемы U_ВЫХ линейно (с определенной степенью точности) за­висит от давления q:

где – номинальные пределы линейного преобразования, соответствующие положительному и отрицательному давлению.

Нелинейность определяется нелинейностью преобразования давления в механические напряжения, нелинейностью тензозорезистивного эффекта и нели­нейностью электрической схемы.

3. Сдвиг характеристики преобразования (q ₀) обусловлен различием величин . Указанное различие объясняется, во-первых, различной нелинейностью преобразования при подаче избыточного давления с разных сторон мембраны. Во-вторых, – начальной деформа­цией мембраны при исходном давлении и температуре (q = 0, Т = T ₀). Эта деформация определяется механическими напряжениями, возникающими на границе «кремний-двуокись кремния» после термического окисления. Сдвиг q₀ определяется как среднее значение величин .

q ₀ = 0,5().

Для мембран диаметром 1 мм и толщиной 10-20 мкм при толщине окисла SiO ₂, равным 0,4-0,6 мкм, сдвиг q ₀ может достигать 10 кПа.

4. Чувствительность преобразователя S ₀ (при температуре Т ₀) определяется как отношение приращения выходного сигнала к приращению приложенного давления, отнесённого к напряжению питания мостовой схемы (U _п):

Чувствительность зависит от ориентации ТР, от его местоположения, легирования и других факторов.

5.Температурный дрейф нуля (ς) – приращение выходного напряжения в отсутствие приложенного воздействия, отнесённое к номинальному значению выходного сигнала при изменении температуры на 1 °С:

∙

Напряжение определяется как

=

где

6. Температурный дрейф (ξ) вызывается рядом причин, главная из которых – техноло­гический разброс температурных коэффициентов сопротивлений ТР. Температурный коэффициент чувствительности – относительное изменение чувствительности при изменении температуры на 1° С:

Этот параметр обусловлен наличием температурной зависимости тензочувствительности полупроводниковых ТР и определяется в основном степенью легирования, а также изменением параметров упругих элементов при изменении температуры.

В связи с наличием указанных влияний необходимо производить следующие настроечные работы:

- устранить напряжение U ₀ (балансировка электрической схемы);

-установить номинальную чувствительность (калибровка усилителей);

-устранить дрейф нуля в заданном интервале температур (нуля);

-устранить изменение чувствительности с температурой (температурная компенсация чувствительности).

Балансировка мостовой схемы преобразователя наиболее просто осуществ­ляется подстроечным внешним резистором, включённым последовательно или параллельно с одним из плеч моста. Однако такое включение балансирующего резистора может внести дополнительную погрешность в температурный дрейф нуля мостовой схемы, если этот резистор имеет ТКС, отличный от ТКС ТР, а также в том случае, если он находится при других температурных условиях по сравнению с рабочим ТР. Поэтому при балансировке предпочтительно использовать подстроечные компоненты, изготов­ленные на одной подложке с мембраной за один технологический цикл, и, следова­тельно, имеющие температурные характеристики, близкие к характеристикам ТР. Та­кими компонентами могут быть, например, магазины диффузионных резисторов.

Другим методом балансировки является включение последовательно с из­мерительной диагональю моста балансирующего напряжения. Если для усиления сигнала используется операционный усилитель (ОУ), то такое балансирующее на­пряжение может обеспечить схема внешней регулировки напряжения смещения нуля усилителя (рис.19).

Рис. 19. Схема балансировки мостовой схемы преобразователя, путем изменения напряжения смещения операционного усилителя

Градуировка заключается в регулировании чувствительности так, чтобы обеспечить требуемое выходное напряжение при заданном входном воздействии (например, при заданном давлении). Градуировка возможна путем изменения питающего напряжения (или тока) или включения параллельно выходной диагонали моста шунтирующего со­противления. Однако наиболее приемлемым является регулирование коэффициента усиления последующего усилителя. Перспективны ОУ, изготовленные на одном кристалле с ТР. Резисторы обратной связи ОУ, определяющие коэффициент усиле­ния, можно выполнить по тонкопленочной технологии и подстраивать их в этих схемах с помощью лазера.