Способ настройки полупроводниковых интегральных тензопреобразователей и устройство для его осуществления

 

Использование: в измерительной технике, в частности в преобразователях механических величин в электрический сигнал, основанных на пъезоэффекте. Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей за счет одновременной термокомпенсации и балансировки начального значения выходного сигнала путем выравнивания сумм термочувствительностей противоположных плеч моста пъезопреобразователя с последующей балансировкой начального значения выходного сигнала в 0. Подсоединяют к одному из пары плеч моста, где суммарная термочувствительность больше, чем у другой пары, шунт определенной величины для выравнивания сумм термочувствительностей. Величина подстроечного резистора берется в соответствии с выработанным условием. 2 с., 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям механических величин в электрический сигнал, основанным на тензоэффекте.

Известен способ настройки тензопреобразователей, содержащих чувствительный элемент, на поверхности которого сформированы в виде замкнутого электрического моста интегральные тензорезисторы [1]. заключающийся в том, что для уменьшения разбаланса моста в его плечи включают дополнительные внешние резисторы так, чтобы сбалансировать мост.

Недостатком данного способа является то, что он не позволяет одновременно выполнить условия баланса моста и термокомпенсации аддитивной составляющей температурной погрешности.

Известен способ настройки тензопреобразователя [2], у которого при изготовлении тензомоста в его плечи включены дополнительные подстроечные резисторы, изготовленные из того же материала, что и тензорезисторы, но первоначально закороченные металлизированными перемычками, когда балансировку моста осуществляют разрывом вышеуказанных перемычек, при этом сопротивление выбранного плеча моста возрастает и тем самым уравновешивает мост.

Недостатком такого способа является, то что он не позволяет минимизировать температурную погрешность начального значения выходного сигнала тензомоста, вызванную различием в степени легирования тензорезисторов, или термической деформацией тензорезисторов в датчике.

Такая температурная погрешность может быть значительной и достигать, например для тензопреобразователей давления датчиков Сапфир-22 моделей Д2.5, Д16 и Д100, - 0,5%/10 К от диапазона выходного сигнала.

Известен способ настройки интегральных тензомостов [3], имеющих в плечах дополнительные подстроечные резисторы с перемычками, заключающийся в том, что измеряют при двух значениях температуры начальный уровень сигнала моста и сопротивление диагонали питания моста, далее рассчитывают значение напряжения на выходе измерительной диагонали моста, обеспечивающее стабилизацию начального уровня сигнала от температуры.

Недостатком данного способа является то, что начальное значение выходного сигнала тензопреобразователя существенно отличается от нуля, причем индивидуально для каждого тензопреобразователя.

Так, например, для того, чтобы скомпенсировать температурную погрешность в серийном тензопреобразователе давления Сапфир-2, требуется установить значение начального сигнала порядка 80-200 мВ, что соответствует 50-80% полезного выходного сигнала, снижает стабильность и точность преобразования вторичной электроникой, приводит к увеличению погрешности нелинейности.

Все вышеуказанные недостатки способов настройки различных интегральных полупроводниковых тензопреобразователей характерны и для самих тензопреобразователей [1-4].

В качестве прототипа предложенного способа настройки интегрального тензопреобразователя взят способ [3] как наиболее близкий по технической сути к предлагаемому.

В качестве прототипа предложенного устройства взят полупроводниковый интегральный преобразователь с питанием от источника стабилизированного тока и имеющий в плечах дополнительные подстроечные резисторы с участками закороченными перемычками [3].

Цель изобретения - разработка способа настройки интегрального тензопреобразователя и устройства, реализующего способ, которые существенно упрощают технологию настройки и снижают величину аддитивной составляющей температурной погрешности тензопреобразователя.

Цель достигается в предлагаемом способе за счет измерения сопротивлений плеч моста, расчета по измеренным сопротивлениям сумм температурных коэффициентов сопротивлений противоположных плеч моста, уменьшения термочувствительности плеча моста из пары, где сумма больше, до равенства, за счет, например, шунтирования и балансировки выходного сигнала в путем разрыва перемычек подстроечных резисторов.

Отличительными особенностями предложенного способа настройки интегрального тензопреобразователя по отношению к прототипу, является то, что в качестве параметра моста измеряют сопротивление его плеч, рассчитывают величины температурных коэффициентов, определяющих термочувствительность моста, сравнивают их суммы для противоположных плеч, уменьшают термочувствительность одного из плеч моста из пары, где эта сумма превышает сумму другой пары до равенства сумм, а балансировку ведут после выравнивания сумм до значения выходного сигнала, близкого к 0. Tермочувствительность одного из плеч уменьшают его шунтированием.

Предложенный способ не является простой суммой двух известных (шунтирование для термокомпенсации и включение дополнительного резистора для балансировки), т. к. в данном способе важна последовательность проведения операций. Действительно, если сначала провести балансировку моста, а затем термокомпенсацию с учетом формулы (1), то произойдет разбалансировка моста.

В устройстве, реализующем способ, цель изобретения достигнута за счет введения в состав тензомоста элементов, изменяющих термочувствительность плеч моста в соответствии с выработанным авторами критерием, определенной величиной сопротивления подстроечного резистора.

Отличительными особенностями предложенного полупроводникового интегрального преобразователя является то, что к одному из пары противоположных плеч моста, суммарная термочувствительность которых больше, чем у пары смежных с ним плеч моста, подключен термостабильный шунт, номинальное расчетное сопротивление которого удовлетворяет условию: r= R₁(T₂) (1) где R₁ - исходное сопротивление плеча, в которое включен шунт, μ_i= , i= 1,2,3,4, (2) а по крайней мере один из подстроечных резисторов, включенный в несодержащее шунта плечо моста, имеет сопротивление с пределами подстройки, удовлетворяющими уравнению Δr≥R_o[K³(1+δ)-1] , (3) где R_o - ожидаемое номинальное значение сопротивления плеча моста; K= = , где R_н и R_b - нижнее и верхнее возможные значения сопротивлений плеч моста, обусловленные технологическим разбросом относительно номинального расчетного значения R_o; δ= ; Δα - ожидаемое максимальное технологическое отклонение от α , где α= ln.

Данные отличия удовлетворяют критерию существенности, т.к. введение шунта определенной величины в одно из плеч моста создает только предпосылку термокомпенсации преобразователя (необходимое условие), а окончательным условием (необходимым и достаточным) выполнения термокомпенсации является признак величины подстроечного сопротивления.

Предлагаемый способ включает следующую последовательность операций при настройке интегрального полупроводникового тензопреобразователя с подстроечными резисторами в плечах, закороченными металлизированными перемычками: производят, по крайней мере, при двух значениях температуры измерение сопротивлений плеч моста: определяют по измеренным значениям величины температурных коэффициентов сопротивлений плеч моста: сравнивают их суммы для противоположных плеч: уменьшают термочувствительность одного из плеч моста из пары, где эта сумма превышает сумму другой пары до равенства сумм за счет, например, шунтирования вышеуказанного плеча шунтом, величина которого определяется выражением (1), или путем изменения уровня легирования материала резистора [5] ; проводят балансировку выходного значения сигнала за счет разрыва перемычек дополнительных подстроечных резисторов до значения, равного нуля (с заданной точностью).

На фиг. 1 изображена принципиальная схема моста тензопреобразователя, подключенного к источнику питания; на фиг. 2 - топологическая схема подстроечного резистора; на фиг. 3 - типичные зависимости начального значения выходного сигнала тензомоста от температуры до (1) и после (2) настройки тензомоста предлагаемым способом.

В состав схемы входят тензорезисторы 1, 2, 3 и 4, размещенные в плечах моста с добавочными подстроечными резисторами 5, 6, 7 и 8, шунт 9. К схеме подключены источник постоянного тока 10 и вольтметр 11. Подстроечный резистор - любой из 5-8 имеет основную площадку 12 и закорачивающие ее участок перемычки 13, 14 и 15. Обозначив соответственно сопротивления плеч моста с тензорезисторы 1,2,3 и как R₁, R₂, R₃, R₄, добавочные подстрочные резисторы 5,6,7 и 8 как r_д1,r_д2,r_д3,r_д4, а шунт 9 как r₁, дадим обоснование приведенных соотношений. При питании моста от источника стабилизированного тока I выходной сигнал U равен U= I (4) Для сбалансированного моста (т.е. при U_o=0) R₁·R₃=R₂·R₄. (5) Условие термокомпенсации начального значения выходного сигнала реализуется при =0, (6) левую часть которого с учетом (4) можно записать в виде:
= I - U (7)
где β_i - температурный коэффициент сопротивления (ТКС) i-того плеча моста (i=1,2,3,4), равный в точке Т_i
= (8) а в инртервале температур Т₁, Т₂ (среднее значение)
β= ln = , α_i=ln (9)
U_o - начальный выходной сигнал моста. Если мост сбалансирован, т.е. U_o= 0, то условие (6) примет вид
β₁+β₃=β₂+β₄(10)
или, если учесть (9), то
α₁+α₃=α₂+α₄(11)
Переходя от логарифмической меры к отношению μ= , получим из (11)
μ₁˙μ₃=μ₂˙μ₄,
Измеряют R_i(T₁) и R_i(T₂), выбирают пару противоположных плеч, для которых вместо равенств можно записать
α₁+α₃>α₂+α₄(12)
μ₁˙μ₃>μ₂˙μ₄(13)
Это означает, что термочувствительность (ТКС) плеч моста 1 и 3 больше, чем у плеч 2 и 4.

Далее к одному из плеч, условно обозначенному позицией 1, имеющему до шунтирования сопротивление R₁ и отношения
α₁=ln и μ₁= (14)
подключают шунт r₁, значение которого определяется формулой (1), следующей из условия (10) или (11), если в нем входящие в (14) сопротивления R₁ заменить на новое значение, которое получается в результате параллельного соединения резисторов R₁ и r₁.

Однако при шунтировании мы только создадим необходимые условия для термокомпенсации, которая будет иметь место лишь после балансировки моста, т. е. когда в условии (6) начальный сигнал U_o≈ 0. Без балансировки выходной сигнал будет отличаться от нуля тем больше, чем больше окажется технологический разброс ТКС и сопротивлений плеч моста, следовательно, значение и диапазон подстройки (r_д) добавочного резистора должны перекрывать некоторый предел (3), обусловленный возможным (ожидаемым) технологическим разбросом α_i, R_i, обеспечивающий балансировку моста после установки шунта. Условие (3) следует из выражений (1) и (5), если учесть предельные технологические отклонения Δα=α-α₁,(15)α₁ от ожидаемых значений α, а также разбрось сопротивлений плеч моста относительно ожидаемого номинального (среднего) значения R_o.

Преобразуем (1), поделив числитель и знаменатель на α₁=α₂+α₄-α₃(10), получим:
r₁= = = (16)
Сравнивая мост, имеющий технологический разброс сопротивлений R₁, с мостом, имеющим плечи с номинальным сопротивлением R_o, получим, исходя из условия (5), диапазон подстроечного резистора при условии, что шунт установлен
r_3д≥ - R_o (17)
или
r_{2д ≥ -} (18)
Подставляя вместо R₁ новые значения R₁^I, полученное после шунтирования, получаем из (17) и (18):
r_3д≥ - R 1+ _ R_o
или
r_2д≥ 1+ _ R_o (20)
Условия (19), (20) отличаются индексацией плеч, причем для (19) нужно предположить, что R₂R₄> R₁^IR₃, а для (20) - R₂R₄< R₁^IR₃. Поскольку заведомо не известно, какие из плеч моста будут иметь максимальные, а какие минимальные значения сопротивлений, логично предположить, что в неравенствах учитывается худший случай, при котором в числителе (19) и (20) оказываются сопротивления с максимальными или верхними R_b, а в знаменателе - с минимальными или нижними R_н значениями, обусловленные технологическим разбросом ΔR: R_в=R_o+ΔR,R_н=R_o-ΔR(21)
Принимая коэффициенты технологического разброса сопротивлений равными
K= , K= ≃ (22) и подставляя K в (19) и (20), получим
Δr_3д= Δr_2д= Δr_д≥ R 1+ _ 1 ≃ RK³ 1+ - 1 (23) что соответствует условию (3), если технологический разброс ТКС обозначить как отклонение δ= .

Таким образом, тензопреобразователь имеет замкнутый мост из интегральных тензорезисторов и подстроечных резисторов, которые формируются с пределами подстройки Δ R_д, отвечающими условию (3) - (23). Это позволяет разделить и последовательно выполнить операции: сначала шунтирования по условию термокомпенсации, а затем подстройки моста резистором r_д по условию баланса моста. Балансировка не нарушает условия термокомпенсации, поскольку подстроечные резисторы выполнены из одного материала с тензорезисторами, имеющего тот же ТКС, не зависящий от значения сопротивления. Обязательно, чтобы подстройка осуществлялась добавочным резистором в плече, не содержащем шунта, причем увеличение сопротивления плеча при подстройке (при разрыве перемычек 13, 14, 15 и т.д.) должно изменять соотношение сопротивлений плеч моста в сторону баланса.

Условие баланса наиболее технологично и точно может быть определено по сигналу U, измеряемому вольтметром (V) 11 при подключении моста источнику 10 стабилизированного тока I. Результат термокомпенсации сбалансированного моста (фиг. 3) выражается тем, что кривая изменяет наклон и приближается к оси Т, проходя через точку U=0 при температуре, принятой для нормальных условий (Т=20^оС).

Эффективность предлагаемых технических решений по сравнению с отечественным преобразователем Сапфир-22 выражается в том, что в тензопреобразователе термокомпенсация и балансировка осуществляются всего при одном внешнем резисторе (шунте) r₁. Балансировка не требует точных измерений и расчетов, поскольку может выполняться по выходному сигналу моста. Оценка термочувствиельности плеч моста не требует измерения абсолютных значений температур, а требует только их стабилизации. В результате повышаются точность и технологичность термокомпенсации и балансировки.

Формула изобретения

1. Способ настройки полупроводниковых интегральных тензопреобразователей, заключающийся в том, что измеряют по крайней мере при двух значениях температуры параметры моста и балансируют мост по выходному параметру путем разрыва перемычек в подстроечных резисторах плеч моста, отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей, в качестве параметра моста измеряют сопротивления его плеч, рассчитывают величины температурных коэффициентов, определяющих термочувствительность моста, сравнивают их суммы для противоположных плеч моста, уменьшают термочувствительность одного из плеч моста из пары, где эта сумма превышает сумму другой пары, до равенства сумм, а балансировку производят после выравнивания сумм до значения выходного сигнала, равного нулю.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уменьшение термочувствительности одного из плеч производят его шунтированием.

3. Устройство настройки полупроводниковых интегральных тензопреобразователей, содержащее упругий чувствительный элемент, сформированные на нем в виде замкнутого электрического моста интегральные тензорезисторы и выполненные из того же материала добавочные подстроечные резисторы с участками, закороченными перемычками, отличающееся тем, что оно снабжено термостабильным шунтом, подключенным к одному из пары противоположных плеч моста, суммарная величина температурных коэффициентов сопротивления которых больше, чем у пары смежных с ним плеч моста, а номинальное расчетное сопротивление термостабильного шунта определяют из соотношения
r = R₁(T₂) ;;
где R₁ - исходное сопротивление плеча, в которое включен шунт;
α_i= ln ; ,
i = 1, 2, 3, 4,
а по крайней мере один из подстроечных резисторов, включенный в не содержащее шунт плечо моста, имеет сопротивление с пределами подстройки, удовлетворяющими уравнению
Δ r ≥ R₀[ K³( 1 + δ ) - 1 ] ,
где R_о - ожидаемое номинальное значение сопротивления плеча моста;
K = R_в / R_o = R_o / R_н ; R_н и R_в - нижнее и верхнее возможные значения сопротивлений плеч моста, обусловленные технологическим разбросом относительно номинального расчетного значения;
δ = Δ α / α ,
где Δ α - ожидаемое максимальное технологическое отклонение от α .

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3