Датчики давления компании Motorola

4.3.1 Классификация датчиков

4.3.1.1 Классификация датчиков по степени интеграции

Со­гласно этой классификации приборы подразделяются на три группы: некомпенсированные датчики, термокомпенсированные и калиброванные датчики, интег­рированные датчики [12].

Так датчики давления серии MPX поставляются как в виде базовых элементов без компенсации, базовых элементов с температурной компенсацией и калибровкой, и со схемой полной нормализации (интег­рированные) выходного сигнала (семейство MPX5000), размещенной на этом же кристалле. С тем, чтобы облегчить жизнь разработчикам систем, в которых используются датчики давления, фирма Motorola увеличила уровень интеграции датчиков - кроме встроенной температурной компенсации и калибровки, реализованных в датчиках предшествовавшей серии (серии MPX20000), в серии MPX5000 на кристалле датчика реализован усилитель нормализации сигнала, что позволяет реализовать прямой интерфейс датчика с аналого-цифровым преобразователем микропроцессора.

Некомпенсированные - самый простой тип датчи­ков. Эти базовые приборы представляют собой только корпусированный четырехвыводной чувствительный элемент (смотри рис. 4.6). Чувствительность, смещение (выходное напряжение при нулевом давлении на ди­афрагму) и диапазон выходных напряжений сильно за­висят от температуры. Кроме того, эти параметры име­ют технологический разброс от образца к образцу. Простота и низкая стоимость некомпенсированных датчиков приводят к тому, что на плечи разработчиков ложится обеспечение целого ряда функций, обеспечивающих стандартный и стабильный выходной сигнал в широком диапазоне температур, которые уже заложены в более сложных датчиках. От разработчика требуется достаточный опыт как в применении согласующих операционных усилителей, так в разработке программного обеспечения для мик­роконтроллеров [12].

Рис. 4.6. Выходная характеристика и электрическая схема датчика без температурной компенсации

Опр. Калибровка измерительных приборов заключается в установлении зависимости между показаниями прибора и размером измеряемой (входной) величины. Под калибровкой часто понимают процесс подстройки показаний выходной величины или индикации измерительного инструмента до достижения согласования между эталонной величиной на входе и результатом на выходе (с учётом оговоренной точности). Например, калибровкой медицинского термометра, показывающего в ванне с температурой 36,6С результат на дисплее 36,3С, будет добавление 0,3С. При этом неважно, будет ли эта величина внесена в память прибора или написана на приклеенной к термометру бумаге.

Рис. 4.7. Выходная характеристика и электрическая схема термокомпенсированного датчика

Рис. 4.8. Выходная характеристика и электрическая схема интегрированного датчика

Рис. 4.9. Схема цифрового высотомера

4.3.1.2 Классификация датчиков по типу измеряемого давления

Вторым классификационным признаком является тип измеряемого давления. Датчик всегда измеряет разницу между двумя давления­ми, при этом одно из которых, как правило, является опорным, а другое, измеряемое, под­водится при помо­щи порта. Оно подается обычно с внешней стороны диафрагмы датчика давления со стороны чувствительного элемента (смотри рис. 4.10). В зависимости от давления с обратной (внутренней) стороны диафрагмы датчики подразделяются на дифференциальные, относительные и абсолютные.

Дифференциальные типы датчи­ков используются, когда необходимо измерить разницу между двумя дав­лениями. Дифференциальное давление, такое как падение давления в регуляторе тяги или на фильтре в воздушном канале, измеряется подачей давления с противоположных сторон чувствительного элемента датчика. Относительный датчик - это разновидность дифференциаль­ного, с той лишь разницей, что его внутренняя сторона диафрагмы от­крыта в атмосферу, то есть в качестве опорного давления служит атмосферное давление.

В абсолютном датчике открыта только одна сторо­на. На обратной стороне, внутри кри­сталла создается откачанный ваку­умный промежуток, давление в ко­тором является опорным.

Первым вопросом при проектировании высотомера становится выбор типа датчика измерения давления. При максимальной высоте, на которой действует формула (11000 м), атмосферное давление составит около 23.5 кПа (176.25 мм рт. ст.), на глубине же в 1000 м оно составит около 112 кПа (840 мм рт. ст.), при атмосферном давлении на нулевом уровне — равном 100 кПа (750 мм рт. ст.).

Разрешающая способность полупроводниковых датчиков давления не отмечена в спецификациях фирм-производителей (Motorola, Honeywell). Считается, что ограничение на разрешающую способность накладывается только электроникой. Рассмотрим возможность применения датчиков дифференциального давления для измерения высоты.

На рис. 3 приведена измерительная схема на основе датчика дифференциального давления. В одном из входов датчика создается опорное давление, относительно которого будут производиться измерения. Такое устройство позволяет производить механическую регулировку нуля и учитывать только необходимый диапазон измерения. Но существует недостаток, из-за которого применение такой схемы в бортовых системах становится невозможным. Опорное давление в замкнутом объеме трубки и входе датчика очень сильно изменяется с температурой. Изменение эти настолько сильные и быстрые, что полезная зависимость изменения давления становится неразличимой. Правильным является использование датчиков абсолютного давления (смотри рис. 4.10). В таких датчиках в качестве опорного давления используется нулевое давление или вакуум, а его свойства не изменяются с температурой.

Рис. 4.10. Варианты корпусов для датчиков дифференциального и абсолютного давлений

4.3.1.2 Классификация датчиков по конструкции корпуса, тенденции развития датчиков Motorola

Датчики также классифицируют­ся и по конструктивному исполнению. Большинство датчиков изготавливаются в базовом кор­пусе (рис. 4.12). Этот корпус не имеет крепежных деталей, и, если разработчик хочет закрепить его на плате или шасси, то он должен либо самостоятельно изготовить предохранительный кор­пус с элементами меха­нического крепления датчика и трубок (портов подвода среды, в которой измеряется давление), либо использовать датчи­ки, упакованные уже в стандартные предохрани­тельные корпуса с одним или двумя портами под­вода давления (смотри рис. 4.11).

Рис. 4.11. Многообразие корпусов для датчиков давления

Эти порты предназначе­ны для присоединения трубок с внешним диа­метром 1/8 дюйма, нако­нечники выполнены из высокотемпературного пластика, который выдержива­ет температуру в пределах -50...+150°С. Датчики дав­ления серии МРХ предназначены для установки на пе­чатную плату (стандартный шаг между выводами 2.54мм) или для присоединения к разъему. Наряду с базовыми типами корпусов Motorola выпускает датчики в миниатюрных корпусах для SMD монтажа (SOP, SSOP, MPAK, MEDICAL CHIP PAK) 2,54 и 1,27мм.

Что касается развития производственной линейки датчиков давления, то у Motorola прослеживается тен­денция в дальнейшей миниатюризации. Совсем недавно появилось новое семейство сверх-малопотребляющих миниатюрных датчиков серии MPXY8020, которые имеют цифровой 8-битный выход и объединяют в себе функции измерения давления и температуры. Для распределенных систем сбора данных, автомобильной техники, робототехники, медицины и других областей Motorola анонсировала (в самое бли­жайшее время будут доступны инженерные образцы) уникальные датчики, с возможностью объединения в сеть по радиоканалу с поддержкой технологии ZigBee. ZigBee это очень гибкая технология беспроводной свя­зи (диапазон рабочих частот 2.4ГГц), базирующаяся на недавно принятом стандарте (протоколе) передачи данных IEEE 802.15.4.

4.3.2 Устройство и принцип работы датчика давления

4.3.2.1 Базовый корпус, кристалл

Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы датчиков давления. Кремниевые датчики давления фирмы Motorola изготавливают двух видов: дифференциальные и абсолютные. Базовые корпуса датчиков абсолютного и дифференциального давлений идентичны (смотри рис. 4.12).

Рис. 4.12. Поперечные сечения базовых корпусов датчика абсолютного давления и дифференциального/относительного давления

Рассмотрим устройство базового корпуса подробнее (смотри рис. 4.13).

Рис. 4.13. Поперечные сечения базового корпуса датчика дифференциального давления

Основным элементом датчика давления является кристалл, на котором расположена кремниевая диафрагма с чувствительным элементом - имплантированной тензорезистивной цепочкой - X-ducer. Разница между кристаллами датчиков дифференциального и абсолютного давления заключается в том, что у последнего нет отверстия в нижней - герметизирующей кремниевой пластине и полость, сформированная углублением, вытравленным в верхней пластине, и нижней пластиной содержит вакуум – опорное давление (смотри рис. 4.14). Кремниевый гель изолирует поверхность кристалла и соединительные проводники от повреждения твердыми частицами, которые могут оказаться в среде, передающей давление на диафрагму,

Рис. 4.14. Кристалл датчика абсолютного давления

Кристалл датчика давления серии МРХ расположен на кремниевом кристаллодержателе, который приклеен к корпусу датчика. Внутренняя полость заполнена кремнийорганической жидкостью - компаундом. Пластмассовый корпус закрыт крышкой из нержавеющей стали. В корпус впресованы внешние выводы, которые с помощью золотых проволочек соединяются с рамкой выводов 1-4 кристалла датчика давления.

4.3.2.2 Чувствительный элемент датчика X-ducer

4.3.2.2.1 Конструкция и физическая основа функционирования

Функционирование чувствительного элемента микромеханического датчика давления основывается на тензорезистивном эффекте.

Определение: Тензорезистивный эффект - изменение удельного электросопротивления твёрдого проводника (металла, полупроводника) в результате его деформации. Величина относительного изменения компонент тензора электросопротивления связана с тензором деформации через тензор четвёртого ранга : .

Определение: На практике пользуются понятием тензочувствительности , где  — относительное изменение длины образца под действием приложенной нагрузки в определённом направлении,  — относительное изменение удельного электросопротивления вдоль этого направления. В металлах порядка единицы, в полупроводниках (например, в Ge и Si) в десятки и сотни раз больше.

Тензорезистивный эффект связан с изменением межатомных расстояний при деформации, что влечёт за собой изменение структуры энергетических зон кристалла. Последнее обусловливает изменение концентрации носителей тока (электронов проводимости, дырок), их эффективной массы, перераспределение их между энергетическими максимумами в зоне проводимости и минимумами в валентной зоне. Кроме того, деформация влияет на процессы рассеяния носителей (появление новых дефектов, изменение фононного спектра). Тензорезистивный эффект применяется в тензодатчиках сопротивлений, служащих для измерения деформаций.

Почти все фирмы, производя­щие датчики давления строят первичный пре­образователь «давление-напряжение» по традицион­ной схеме моста Уинстона, имеющей несколько недо­статков:

• 
  схема имеет 4 подбираемых резистора;
  
• 
  необходима их подстройка ucer;
  
• 
  необходимы сложные схемы температурной компенсации.
  

Эти недостатки сподвигнули фирму Motorola ве­сти активный поиск аль­тернативного решения, ко­торый и увенчался разра­боткой принципиально но­вого решения, которое впоследствии было запа­тентовано, и носит торго­вую марку X-ducer. Элемент X-ducer (смотри рис. 4.15), названный так из-за х-образной формы преобразователя, представляет собой кремни­евую диафрагму, на которую методом ионной имплан­тации внедрена х-образная тензорезистивная структу­ра. Элемент развивает на выходе напряжение, прямо пропорциональное приложенному давлению и имеет очень высокие показатели линейности, повторяемос­ти, воспроизводимости, чувствительности и отношения сигнал/шум. Одна пара выводов служит для подачи напряжения питания, а со второй снимается разность потенциалов, линейно за висящая от напряжения питания (пропорциональный выход) и приложенного давления (усилия).

Датчик реализован с использованием технологии MEMS, что позволило получить точный, качественный аналоговый выходной сигнал пропорциональный прилагаемому давлению.

4.3.2.2.2 Принцип работы

Датчик работает таким образом: ток возбуждения протекает по резистору (отводы 1 и 3), а подаваемое к диафрагме давление, воздействуя на диафрагму, изгибает резистор. Изгиб приводит к возникновению в резисторе поперечного электрического поля, которое проявляется как напряжение на отводах 2 и 4, соединенных со средней точкой резистора (смотри рис. 4.15). Выходной сигнал изменяется пропорционально прилагаемому давлению.

	Выводы: 1. GROUND(Земля) 2. +Vout 3.Vs 4.-Vout
Рис. 4.15. Чувствительный элемент X-duсer

Тензодатчик является интегральной частью диафрагмы и, следовательно, его температурный коэффициент не отличается от температурного коэффициента диафрагмы. Выходные параметры самого тензодатчика все же зависят от температуры и для обеспечения расширенного диапазона температур необходима температурная компенсация. Для диапазона температур от 0 до 85°C достаточно простой резистивной цепочки, реализованной на том же кристалле, но для более широкого диапазона температур, например от -40 до 125°C, потребуется и более сложная схема компенсации. Такая дополнительная компенсация реализуется внешними схемами.

Использование одного чувствительного элемента исключает необходимость точного согласования четырех, чувствительных и к давлению и к температуре, резисторов, составляющих мост Уинстона. Кроме того, существенно упрощаются дополнительные схемы, необходимые для калибровки и температурной компенсации. Начальное смещение зависит, в основном, от степени выравнивания отводящих проводников, снимающих напряжение. Это выравнивание выполняется в одном литографическом процессе, обеспечивающем простое их согласование, а использование только положительного напряжения, упрощают схему сведения смещения к нулю.

4.3.3 Основные характеристики кремниевых датчиков

Основные характеристики датчиков давления:

1. 
   Размах выходного напряжения (Full Scale Span - Vfss) определяется как алгебраическая разница между выходным напряжением при максимальном сертифицированном рабочем давлении и напряжением при минимальном сертифицированном рабочем давлении.
   
2. 
   Начальное смещение (Voff) определено как выходное напряжение при действии на датчик минимального сертифицированного давления.
   
3. 
   Точность (суммарная ошибка) складывается из:
   

Нелинейности	Отклонение выходного напряжения от линейной зависимости P/ Vout
Гистерезиса температуры	Разница выходных напряжений при изменении температуры от минимума к максимуму, или наоборот, при приложенном нулевом дифференциальном давлении
Гистерезиса давления	Разница выходных напряжений при изменении сертифицированного давления от минимума к максимуму, или наоборот, при 25°C
Стабильности смещения	Разница выходных напряжений после 1000 циклов изменения температуры от -40 до 125°C и приложения 1.5 миллиона минимальных сертифицированных циклов давления
Температурной ошибки	Разница выходных напряжений в диапазоне температур от 0 до 85°C относительно температуры 25°C
Ошибки смещения	Разница выходных напряжений, при приложении минимального сертифицированного давления в диапазоне температур от 0 до 85°C относительно температуры 25°C
Отклонения от номинала	Отклонения от номинальных значений смещения или размаха выходного напряжения в процентах от Vfss при 25°С

4. 
   Время отклика определяется как время нарастания выходного напряжения от 10% до 90% его конечного значения, определяемого изменением давления.
   

Отметим, что внешнее давление, превышающее указанное в инструкции, может привести к утечкам тока с выводов на корпус.

жүктеу/скачать 2.55 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: