Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Посмотреть оригинал

Классификация интегральных тензопреобразователей давления

Пути инти рации тензопреобразователей

В интегральных тензопреобразователях давления в качестве чувствительного элемента чаще всего используется диффузионный резистор. На рис.23 схематично показано устройство классического тензорсзистивного преобразователя давления.

Роль элемента, воспринимающего давление, выполняет мембрана, которая, деформируясь, передаёт воздействие через шток (передающий элемент) на балку (упругий элемент). Деформация упругого элемента вызывает появление механических напряжений в тензорезисторах, включённых в схему вторичного преобразователя, где могут использоваться усилители и преобразователи сигнала, а также подстроечные элементы.

Схема размещения тензорезистора

Рис.21. Схема размещения тензорезистора

Структурная схема тензодиода

Рис.22. Структурная схема тензодиода

схема тензорезистивного преобразователя давления

Рис.23.Структурная схема тензорезистивного преобразователя давления: I - корпус, 2 - мембрана, 3 - шток, 4 - балка, 5 - тензорезистор, 6 - крепление мембраны и балки, 7 - выход, 8 - постоянный или подстраиваемый резистор

В связи с развитием технологии микроэлектроники конструкция теизо- преобразователей улучшалась, уменьшались габариты, росла точность измерения давления. Это было связано с появившейся возможностью интеграции элементов тензопреобразователя. Историческое развитие тензопреобразова- телей происходило в несколько этапов так, что на каждом очередном этапе интегрировались отдельные физико-конструктивные элементы преобразователя, представленные структурной схемой на рис. 24 [6].

На первом этапе интефация сводилась к объединению воспринимающего, передающего и упругого элементов. Преобразователь давления, соответствующий этапу I, показан на рис.25, а.

Тензорезисторы прикреплены непосредственно к мембране, одновременно выполняющей функции воспринимающего и упругого элементов. Устройство такого типа отличается простотой конструкции.

Отсутствие таких деталей, как передающие рычаги, крепления увеличивает надёжность преобразователя и снижает его стоимость. Данный тип преобразователя имеет пониженную точность и заметную температурную зависимость выходного сигнала, обусловленные неустойчивостью клеевого соединения, разбросом параметров тснзорезисторов и дополнительной нагрузкой, которую даст мембране чувствительный элемент. Суммарная жесткость мембраны с закреплённым на ней тензоэлементом становится очень большой, и конструкция пригодна только для измерения сравнительно высоких давлений начиная с долей мегапаскаля.

Этап II соответствует интеграции преобразующего элемента (тензорези- стора) с мембраной. С появлением технологии плёночных микросхем стало возможным создание преобразователей, в которых на мембране напылены плёночные тензоэлементы ( рис.25, б). При этом был решён вопрос получения однородной мембраны. Малая масса такого тензоэлемента позволяет снять проблему дополнительной нагрузки мембраны. Такими приборами можно измерять сравнительно низкие давления. Этот метод даёт возможность повысить точность и устойчивость к механическим воздействиям.

Следующим шагом, который соответствует II этапу физикоконструктивной интеграции, было создание полностью однородной тонкой кремниевой мембраны с расположенными на ней диффузионными тензорези- сторами ( рис.25, в). Этот шаг представляет собой новый уровень технологической интеграции. Он привёл к увеличению надёжности, чувствительности, точности, к уменьшению габаритов, массы и повышению стабильности при изменении температуры окружающей среды.

Дальнейшее улучшение характеристик преобразователей сдерживается точностью позиционирования зоны заделки мембраны.

Этап III физико-конструктивной интеграции соответствует применению методов локального контролируемого травления полупроводниковых материалов.

Структурная схема интеграции элементов тензорезистивного преобразователя давления

Рис. 24. Структурная схема интеграции элементов тензорезистивного преобразователя давления

Конструкции датчиков давления на различных этапах интеграции

Рис.25. Конструкции датчиков давления на различных этапах интеграции: 1- тензорсзистор; 2- мембрана; 3-основание; 4-крышка

В нём создан полностью интегральный чувствительный элемент, представляющий собой тонкую кремниевую мембрану с изготовленными на ней диффузионными тензорезисторами, причём мембрана обрамлена массивным основанием, представляющим с ней единый монокристалл ( рис.25, г). Таким образом на этом этапе интегрируются элементы внутренней конструкции преобразователя, а именно - узел заделки и основание тонкой мембраны. Это позволило решить проблемы с точностью и надёжностью на этапе производства кристалла чувствительного элемента. Групповой способ производства, на котором основана микроэлектронная технология, кардинально решает проблему уменьшения стоимости преобразователей.

Этап IV заключается в объединении в одной ИС наряду с интегральным мембранным чувствительным элементом ИС усилителей и подстроечных элементов ( рис.25, д). В результате такого подхода появилось целое семейство преобразователей с относительно низкой стоимостью.

Этап V заключается в интеграции всей внешней конструкции преобразователя (рис.25, е).

Таким образом, современному уровню развития интегральных первичных преобразователей соответствуют конструкции, выполненные в виде единого твёрдотельного прибора.

Необходимо отметить, что с появлением каждого нового этапа интеграции предыдущие этапы и конструкции не отмирают, а продолжают использоваться. Дальнейшая физико-конструктивная интеграция элементов преобразователя пойдёт по пути усложнения конструкции за счёт интеграции с АЦП и микропроцессорами.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы