Разработка и исследование методов компенсации динамической температурной погрешности интегральных тензопреобразователей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

УДК 681.586'326

К ЗАЩИТЕ ДОПУЩЕН

Зав. кафедрой АТПП,

проф. А.П. Веревкин

Бакалаврская работа по направлению подготовки

220200 Автоматизация и управление

разработка и исследование методов компенсации динамической температурной погрешности интегральных тензопреобразователей

Студент гр. БАГ 08-01 И.И. Абубакиров

Руководитель

канд. техн. наук, доц. С.В. Емец

Нормоконтролер М.Ю. Прахова

Уфа

2012



Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

ЗАДАНИЕ

НА ВЫПОЛНЕНИЕ ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ (ВКР) БАКАЛАВРА

Студент ________________________________ группа ______________

(Фамилия, имя, отчество)

1 Тема ВКР __________________________________________________

_____________________________________________________________

утверждена приказом по УГНТУ от ______________ № ____________

2 Срок сдачи законченной ВКР ___________30 мая 2012 г.___________

3 Исходные данные к выполнению ВКР __________________________

4 Объем текстовой части 50 - 60 листов формата А4

5 Содержание расчетно-пояснительной записки (вопросов, подлежащих разработке)

Основной раздел _____________________________________________

_____________________________________________________________

____________________________________________________________

_____________________________________________________________

______________________________________________________

Специальный раздел__________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

6 Объем и перечень графической части (с указанием обязательных чертежей)

_______________________________________________________

_____________________________________________________________

Задание выдал:

Руководитель ВКР _______ ____________ Дата выдачи задания ______

(Подпись) (Инициалы, фамилия)

Задание получил:

Студент _____________ _____________ Дата получения задания ______

(Подпись) (Инициалы, фамилия)



РЕФЕРАТ

Бакалаврская работа 72 с., 19 рисунков, 1 таблица, 22 использованных источников, 1 приложение.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ, ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ, ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ КРЕМНИЙ НА САПФИРЕ, ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ, РЕГРЕССИОННЫЙ АНАЛИЗ, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Объектом исследования являются интеллектуальные датчики давления с интегральными тензорезисторными преобразователями на основе гетероэпитаксиальных структур кремний на сапфире.

В процессе исследования определены способы воздействия температуры на измерительный преобразователь давления, выполнен анализ методов компенсации температурной погрешности, найден метод устранения дополнительной динамической температурной погрешности.

Цель работы - повышение метрологической достоверности при работе интеллектуальных датчиков давления в нестационарных тепловых полях.

В результате исследования найдена математическая модель интегрального тензопреобразователя давления, учитывающая скорость изменения температуры тензомоста и позволяющая устранить динамическую температурную погрешность, и предложена методика градуировки преобразователя.

Новизна работы заключается в использовании трёхфакторного нелинейного полинома регрессии для нахождения передаточной функции преобразователя давления, испытывающего динамическое температурное воздействие.

Практическая значимость результатов работы заключается в возможности использования полученной математической модели в интеллектуальных датчиках давления для повышения устойчивости к тепловым ударам.



СОДЕРЖАНИЕ

Определения, обозначения и сокращения

Введение

1. Интегральные первичные преобразователи

1.1 Необходимость в интегральных преобразователях

1.2 Этапы интеграции отдельных физико-конструктивных элементов преобразователей

1.3 Интегральные тензопреобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире»

2. Аппаратные методы компенсации температурной погрешности

2.1 Характеристики и параметры мостовых тензорезисторных преобразователей давления

2.2 Факторы, определяющие температурную зависимость характеристик тензопреобразователей

2.3 Схемные методы термокомпенсации дрейфа нуля

2.4 Методы термокомпенсации чувствительности

3. Алгоритмические методы компенсации температурной погрешности

3.1 Общие сведения о методах градуировки

3.2 Метод наименьших квадратов

3.3 Методы конфлюентного анализа

3.4 Робастные методы построения зависимостей

3.5 Быстрые и графические методы построения прямых

4. Компенсация динамической температурной погрешности интегральных тензорезисторных преобразователей давления

Заключение

Список использованных источников

Приложение А (обязательное). Перечень демонстрационных листов



ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

УЭ - упругий элемент

ТР - тензорезистор

ЧЭ - чувствительный элемент

ИС - интегральная схема

ПЧЭ - полупроводниковый чувствительный элемент

КНС - кремний на сапфире

ТП - тензопреобразователь

ТКС - температурный коэффициент сопротивления

ТКЧ - температурный коэффициент чувствительности

ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширений

NS - поверхностная концентрация примесей бора

ТА - температура отжига ионнолегированного резистора

U0 - начальный разбаланс мостовой схемы

Еп - напряжение питания

RT - термистор

RШ - шунтирующее сопротивление

RД - добавочное сопротивление

I - ток

М(х) - математическое ожидание

D(x), у2 - дисперсия

х - истинное значение (входной) величины

yg - результат измерения

bij - коэффициенты регрессии

SUMost - остаточная сумма

med - медиана

- среднее арифметическое

Ф(x) - функция нормального распределения

ш (x) - весовая функция

P - давление

Т - температура

NP - код давления

NT - код температуры тензомоста

N?T/?t - код приращения температуры

ОС - обратная связь

ФП - функция преобразования

ИП - измерительный преобразователь

ММ - математическая модель

ГХ - градуировочная характеристика

МНК - метод наименьших квадратов

СКО - среднее квадратическое отклонение



ВВЕДЕНИЕ

Давление является одним из параметров, характеризующих работу технологических объектов и ход технологических процессов нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслей промышленности. В процессе бурения нефтяных и газовых скважин необходимо наблюдать за давлением, при котором промывочная жидкость нагнетается в бурильные трубы. Давление на буфере фонтанной арматуры и в затрубном пространстве определяет режим эксплуатации фонтанной скважины. Давление, поддерживаемое в сепараторе, определяет глубину сепарации газа из газонефтяной смеси. Поддержанием давления на определенном уровне, при котором вода подается в нагнетательные скважины системы поддержания пластовых давлений, обеспечивается закачка воды в пласт. При управлении процессами переработки нефти и газа давление является одним из параметров, определяющих характер функционирования технологических объектов [1].

От точности измерения давления в рабочих условиях эксплуатации зависит насколько точно будет соблюдаться технологический режим работы объекта, который влияет на качество и количество выпускаемой продукции. Уменьшение дополнительной погрешности интегрального тензорезисторного преобразователя давления при воздействии на него влияющих факторов отличных от нормальных является актуальной проблемой.

Цель данной работы - улучшение метрологических характеристик интеллектуальных датчиков давления, повышение их метрологической достоверности.

В задачи данной работы входят:

- обзор интегральных первичных преобразователей;

- изучение аппаратных и схемных методов компенсации температурной погрешности;

-изучение алгоритмических методов коррекции температурной погрешности;

- определение математической модели тензопреобразователя с целью устранения динамической температурной погрешности.



1. Интегральные первичные преобразователи

1.1 Необходимость в интегральных преобразователях

В условиях быстро развивающейся измерительной техники была и остается проблема чувствительного элемента или первичного преобразователя. В результате постоянной острой потребности в преобразователях возможности измерительной техники всегда ограничивались первичными преобразователями.

Например, в приобретающей все более актуальное значение проблеме контроля окружающей среды нет преобразователя, а следовательно, контрольно-измерительного прибора, способного соперничать с человеческим носом при определении запахов или с языком при определении вкусовых примесей.

Природа любого измерительного преобразователя такова, что его производство -- особенно когда речь идет о приборе высокого класса -- требует специализированных знаний, навыков и подготовки (и определенной доли везения и интуиции). Даже в условиях большого современного производства отдельные производственные процессы-- градуировка и настройка преобразователей очень похожи на ручные операции в часовом производстве.

Почти все производители чувствительных элементов занимаются изготовлением преобразователей целиком, но далеко не все из них выпускают законченные измерительные системы. В то же время, производители преобразователей, которые выпускают полные измерительные системы, редко занимаются чувствительными элементами преобразователей.

Высокая чувствительность электрических характеристик полупроводников к различным внешним воздействиям позволяет использовать их для измерения соответствующего воздействия. Практически все известные виды энергии можно преобразовать с помощью полупроводниковых приборов.

Общность исходных материалов для изготовления преобразователей различных видов энергии является важным фактором, поскольку в будущем это открывает возможность изготовления многоцелевых преобразователей нескольких параметров. Конструктивно и технологически такие преобразователи могут представлять собой единый интегральный прибор.

Однако с практической точки зрения более важным объединяющим началом следует считать не столько принадлежность преобразователей к полупроводникам, сколько возможность их изготовления с помощью технологии микроэлектроники. Единство технологии значительно расширяет класс преобразователей, которые в этом случае можно было бы назвать микроэлектронными или интегральными первичными преобразователями.

В таблице 1.1 приведены некоторые примеры микроэлектронных приборов для преобразования различных видов энергии в электрический сигнал.

Таблица 1.1 - Примеры микроэлектронных преобразователей

Вид энергии	Микроэлектронные преобразователи
Механическая	Тензорезисторы, тензодиоды, тензотранзисторы, диод Ганна, интегральные мембранные преобразователи
Акустическая	Пьезопреобразователи, тензопреобразователи
Электрическая	Микроэлектроды, ионочувствительные приборы
Магнитная	Датчики Холла, магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотранзисторы, магнитотиристоры
Тепловая	Терморезисторы, диоды, транзисторы, тиристоры
Световая	Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, прибор с зарядовой связью
Химическая	Микроэлектроды, химотронные приборы, ионочувствительные приборы
Ядерная	Полупроводниковые детекторы излучения

Интегральные преобразователи позволяют осуществлять и обратное преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Самым впечатляющим примером обратных преобразователей являются излучающие приборы-- светодиоды и полупроводниковые лазеры. Другой пример -- интегральные балочные и струнные приборы, преобразующие электрический сигнал в перемещения или колебания упругого элемента. Мощные транзисторы могут выполнять функции нагревателей, т. е. преобразователей электрической энергии в тепловую [2].

Таким образом, микроэлектронные первичные преобразователи отвечают широкому классу задач, стоящих перед измерительной техникой и автоматикой.

1.2 Этапы интеграции отдельных физико-конструктивных элементов преобразователей

Рассмотрим краткую историю развития механоэлектрических преобразователей на примере преобразователей давления. На рисунке 1.1 схематично показано устройство классического тензорезисторного преобразователя давления.

Совокупность составляющих его элементов можно представить в виде структурной схемы, показанной на рисунке 1.2. Роль элемента, воспринимающего давление, выполняет мембрана, которая, деформируясь, передает воздействие через шток (передающий элемент) на балку (упругий элемент УЭ). Деформация упругого элемента вызывает появление механических напряжений в тензорезисторах (ТР), включенных в схему вторичного преобразователя, где могут использоваться усилители и преобразователи сигнала, а также подстроечные элементы, с помощью которых осуществляется настройка и компенсация схемы прибора.



1 - корпус преобразователя; 2 - мембрана; 3 - шток; 4 - балка; 5 - тензорезистор; 6 - крепление мембраны и балки; 7 - выход; 8 - постоянный или подстраиваемый резистор

Рисунок 1.1 - Тензорезисторный преобразователь давления

Исторически развитие механоэлектрических преобразователей происходило в несколько этапов таким образом, что на каждом очередном этапе интегрировались отдельные физико-конструктивные элементы преобразователя, представленные структурной схемой. Действительно, на первом этапе интеграция сводилась к объединению воспринимающего, передающего и упругого элементов. Преобразователь давления, соответствующий этапу I показан на рисунке 1.3 (а). Тензорезисторы приклеены непосредственно к мембране, одновременно выполняющей функции воспринимающего и упругого элементов. Устройство такого типа отличается простотой конструкции. Отсутствие таких деталей, как передающие рычаги, крепления увеличивает надежность преобразователя и снижает её стоимость. Однако данный тип преобразователя имеет пониженную точность и заметную температурную зависимость выходного сигнала, обусловленные неустойчивостью клеевого соединения, разбросом параметров тензорезисторов и дополнительной нагрузкой, которую дают мембране чувствительный элемент и клей. Кроме того, суммарная жесткость мембраны с закрепленным на ней тензоэлементом становится столь большой, что такая конструкция пригодна только для измерения сравнительно высоких давлений, начиная с доли мегапаскаля и более.

Этап II показанный на рисунке 1.3 (б) соответствует интеграции преобразующего элемента (тензорезистора) с мембраной. С появлением технологии изготовления пленочных микросхем, стало возможным создание преобразователей, в которых на мембране напылены пленочные тензоэлементы. При этом был решен и вопрос получения однородной мембраны. Чрезвычайно малая масса такого тензоэлемента позволяет снять проблему дополнительной нагрузки мембраны. Такими приборами можно измерять сравнительно низкое давление. Этот метод обеспечивает соединение чувствительного элемента с мембраной фактически на молекулярном уровне и дает возможность повысить точность, устойчивость к механическим воздействиям.



а) б) в)

г) д) е)

1 - тензорезистор; 2 - мембрана; 3 - основание мембраны; 4 - крышка

Рисунок 1.3 - Принципиальные конструкции тензорезисторных преобразователей давления, соответствующие различным этапам физико-конструктивной интеграции: а - I; б, в - II; г - III; д - IV; е - V

Следующий шаг, показанный на рисунке 1.3 (в), который, соответствует тому же этапу II физико-конструктивной интеграции, подразумевает создание полностью однородной тонкой кремниевой мембраны с расположенными на ней диффузионными TP. Следует отметить, что этот шаг на пути развития преобразователей представляет собой новый уровень технологической интеграции. Применение методов интегральной электроники при изготовлении таких преобразователей привело к увеличению их надежности, чувствительности, точности, к уменьшению габаритов, массы и повышению стабильности при изменении температуры окружающей среды. Однако проблема точного позиционирования зоны заделки однородной кремниевой мембраны продолжала сдерживать дальнейшее улучшение характеристик преобразователей.

Этап III физико-конструктивной интеграции, показанный на рисунке 1.3 (г) открывает новую эру в развитии не только преобразователей давления, но и преобразовательной техники вообще. Развитие методов локального контролируемого травления полупроводниковых материалов позволило создать преобразователь давления с полностью интегральным чувствительным элементом (ЧЭ), представляющим собой тонкую кремниевую мембрану с изготовленными на ней диффузионными TP, причем мембрана обрамлена массивным основанием, представляющим с ней единый монокристалл. Таким образом, на этом этапе интегрируются уже элементы внутренней конструкции преобразователя, а именно узел заделки и основание тонкой мембраны.

Это позволило все проблемы, связанные с точностью и надежностью, решать на этапе производства кристалла чувствительного элемента с помощью технологии микроэлектроники. Поскольку микроэлектронная технология основана на групповом способе производства, то, помимо улучшения основных технических характеристик, была кардинально решена проблема уменьшения стоимости преобразователей.

Этап IV, относящийся к рисунку 1.3 (д), заключается в объединении в одной интегральной схеме наряду с интегральным мембранным чувствительным элементом интегральных схем (ИС) усилителей и подстроечных элементов, используемых для балансировки, градуировки и термокомпенсации преобразователя. Здесь, как и в обычных интегральных схемах, возможны два пути: создание гибридной и полупроводниковой ИС.

В результате такого подхода появилось целое семейство преобразователей с относительно низкой стоимостью. Это, в свою очередь, открыло широкую область новых применений, ранее ограниченную либо из-за высокой стоимости преобразователей, либо из-за их недостаточно высоких эксплуатационных характеристик.

И, наконец, этап V, показанный на рисунке 1.3 (е), перспективы которого уже четко вырисовываются, заключается в интеграции сначала отдельных элементов, а затем и всей внешней конструкции преобразователя. Можно указать две основные предпосылки, сделавшие возможным развитие этого этапа интеграции:

- все более детальное развитие методов локального управляемого травления полупроводниковых материалов дает возможность разработать новые способы формообразования, позволяющие конструировать из этих материалов миниатюрные детали;

- разработка и развитие способов соединения (крепления) кремниевых (сапфировых) пластин между собой и с другими материалами позволяют осуществлять групповую сборку отдельных конструктивных деталей.

Таким образом, современному уровню развития интегральных первичных преобразователей соответствует этап физико-конструктивной интеграции отдельных элементов, при которой практически все элементы конструктивно и технологически выполнены из одного материала в виде единого твердотельного прибора.

Очевидно, этот этап физико-конструктивной интеграции имеет важное значение не только для механоэлектрических преобразователей, но и для любых других приборов, выполненных с помощью технологии микроэлектроники. Такая полная конструктивная интеграция не только решает основные экономические и технические проблемы разработки преобразователей, но и открывает ряд принципиально новых подходов.

Например, становится возможным создание многоцелевых, многодиапазонных или сверхминиатюрных первичных преобразователей с размерами меньше миллиметра.

Следует оговориться, что приведенное рассмотрение этапов развития преобразователей давления, и в равной степени целого ряда других устройств, например акселерометров, расходомеров и других, не может быть однозначно применимо ко всем механоэлектрическим преобразователям. В первую очередь это относится к преобразователям силы, особенно к приборам для измерения больших сил. Это объясняется тем, что измерение больших сил связано с большими размерами конструкций из-за ограниченной прочности конструкционных материалов. В этих условиях полная конструктивная интеграция преобразователя на основе единого полупроводникового материала, очевидно, лишена смысла.

Кроме того, приведенную последовательность этапов интеграции физико-конструктивных элементов не следует понимать таким образом, что с появлением каждого нового этапа интеграции предыдущие этапы автоматически отмирают и становятся бесперспективными. В качестве примера сошлемся лишь на фольговые тензорезисторы, производство и использование которых успешно развивается и сегодня, поскольку они обладают рядом характеристик, пока недостижимых с помощью полупроводниковых тензоэлементов.

Можно предположить, что дальнейшее развитие физико-конструктивной интеграции элементов преобразователя пойдет как по пути усложнения всей внешней конструкции преобразователя, так и составляющих ее элементов. Например, в настоящее время, вместо операционных усилителей и подстроечных элементов широко используются аналого-цифровые преобразователи и микропроцессоры, производительность последних с каждым годом увеличивается, что позволяет производить более сложные вычисления.

1.3 Интегральные тензопреобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире»

Как известно, понятие «интегральная схема», а точнее «гибридная интегральная микросхема», или «полупроводниковая интегральная микросхема» предполагает два вида интеграции. Это - интеграция схемотехнических элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и т. д.) и интеграция технологических процессов изготовления микросхемы.

Новые возможности в развитии тензорезисторных датчиков на основе полупроводниковых чувствительных элементах (ПЧЭ) открылись с разработкой и исследованием гетероэпитаксиальных полупроводниковых структур типа «кремний на сапфире» (КНС), представляющая собой тонкую монокристаллическую пленку кремния, выращенную на монокристаллической сапфировой подложке с определенной кристаллографической ориентацией. Схематично такой чувствительный элемент показан на рисунке 1.4. Толщина кремниевой пленки варьируется от долей до нескольких микрометров. При изготовлении ПЧЭ на структуре КНС формируют тензочувствительную схему, в которой тензорезисторы имеют вид мезаструктур, отделенных друг от друга промежутками чистого сапфира [3].

Рисунок 1.4 - Тензорезисторный чувствительный элемент выполненный по технологии КНС

Тензопреобразователи (ТП) с ПЧЭ на основе структур КНС обладают всеми достоинствами ТП с интегральными кремниевыми ПЧЭ, а именно: упругий элемент таких преобразователей может быть изготовлен из монокристалла диэлектрика, так что в нем отсутствуют гистерезис и усталостные явления; тензорезисторы монолитно связаны с упругим элементом, что исключает явления гистерезиса и ползучести, характерные для слоев связующего вещества; ПЧЭ изготавливаются методами твердотельной технологии, что обеспечивает высокую воспроизводимость характеристик при массовом производстве. Вместе с тем, ПЧЭ на основе КНС имеют дополнительные преимущества, ибо сапфир прочнее и жестче кремния и в принципе позволяет работать с большим уровнем деформаций; сапфир обладает отличными упругими и изолирующими свойствами вплоть до температур порядка 1000° С, что делает ПЧЭ на основе КНС работоспособными при высоких температурах (до начала пластических деформаций в кремнии, т. е. приблизительно до 700° С); сапфир химически и радиационно исключительно стоек, поэтому интегральные схемы на основе КНС могут работать в условиях высокой радиации [4]; наконец, в ПЧЭ на основе КНС отсутствует p-n -переход, в отличии от структуры «кремний на кремнии», а следовательно, существенно упрощается технология их изготовления и увеличивается выход годных изделии. Такие ПЧЭ работоспособны в самых жестких условиях эксплуатации при широком интервале рабочих температур и обладают повышенной надежностью и стабильностью параметров.

Детальные исследования особенностей электрофизических характеристик и тензоэффекта в структурах КНС показали, что на их основе можно создавать тензопреобразователи с малой температурной погрешностью и высокой линейностью преобразования, т. е. свободные от недостатков, принципиально присущих ТП с интегральными кремниевыми ПЧЭ.



2. Аппаратные методы компенсации температурной погрешности

2.1 Характеристики и параметры мостовых тензорезисторных преобразователей давления

В интегральных тензопреобразователях широкое применение получила мостовая схема из тензорезисторов, показанная на рисунке 2.1. За счет соответствующего расположения на мембране тензорезисторы R1 и R4 обладают одним знаком тензочувствительности, а R2 и R3 - противоположным. Общую точку резисторов R2 и R4 можно объединить с выводом подложки интегральной микросхемы преобразователя.

Рисунок 2.1 - Мостовая тензорезисторная схема

Преобразовательную характеристику на рисунке 2.2, представляющую собой зависимость выходного напряжения мостовой схемы Uвых от приложенного к мембране избыточного давления q, для двух значений температуры Т0 и Т1 определяют следующие параметры:

1) начальный разбаланс U0 - выходное напряжение тензорезисторной схемы при нулевом давлении (q=0) и температуре Т0. Разбаланс вызван технологическим разбросом номиналов тензорезисторов, полученных в процессе изготовления ТП, а также начальной деформацией упругого элемента;



Рисунок 2.2 - Преобразовательная характеристика интегрального тензопреобразователя

2) диапазон линейного преобразования q - область давлений, в которой выходной сигнал мостовой схемы Uвых линейно (с определенной степенью точности) зависит от давления q:

q = qном - qном, (2.1)

где qном , qном - номинальные диапазоны линейного преобразования положительного и отрицательного избыточных давлений соответственно.

Различные ТП имеют разные диапазоны линейного преобразования, которые изменяются в очень широких пределах от единиц килопаскаля до сотен мегапаскалей. Нелинейность преобразовательной характеристики определяется несколькими причинами, которые условно можно разбить на три категории:

а) нелинейность преобразования давления в механические напряжения;

б) нелинейность пьезорезистивного эффекта;

в) нелинейность измерительной электрической схемы;

3) сдвиг преобразовательной характеристики q0. Обусловлен различием в диапазонах qном и qном линейного преобразования положительного и отрицательного давлений. В свою очередь, указанное различие объясняется, во-первых, различной нелинейностью при подаче избыточного давления с разных сторон мембраны (так называемый баллон-эффект). Во-вторых, начальной деформацией мембраны при нулевом давлении (q=0) и нормальной температуре (Т=Т0). Эта деформация определяется механическими напряжениями, возникающими на границе кремний-- двуокись кремния после термического окисления. Сдвиг определяется следующим образом:

q0 = (qном + qном )/2. (2.2)

Для мембран диаметром 1 мм, толщиной 10 - 20 мкм при толщине окисла SiO2 0,4 - 0,6 мкм сдвиг q0 может достигать 10 кПа;

4) чувствительность тензопреобразователя S0 (при температуре Т0). Определяется как отношение приращения выходного сигнала к приращению приложенного давления, отнесенное к напряжению питания мостовой схемы. Чувствительность ТП зависит от многих факторов, таких как ориентация TP относительно кристаллографических осей кремния, их местоположение на мембране, степень легирования кремния и т. д;

5) температурный дрейф нуля - приращение выходного напряжения в отсутствии приложенного давления, отнесенное к номинальному значению выходного сигнала, при изменении температуры на 1°С.

Температурный дрейф вызывается рядом причин, главная из которых - технологический разброс температурных коэффициентов сопротивлений (ТКС) тензорезисторов;

6) температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) - относительное изменение чувствительности при изменении температуры на 1°С.

Этот параметр обусловлен наличием температурной зависимости тензочувствительности полупроводниковых TP и определяется в основном степенью легирования примесями, а также зависимостью упругих постоянных от температуры.

Таким образом, реально существующие погрешности ТП определяются принципом работы и технологией изготовления. Поэтому для создания унифицированных датчиков, обеспечивающих полную взаимозаменяемость при установке в различные агрегатированные комплексы и системы, необходима настройка следующих параметров:

- напряжения U0 (балансировка мостовой схемы);

- номинального выходного напряжения (градуировка);

- дрейфа нуля в заданном диапазоне температуры;

- изменения чувствительности преобразователя с температурой.

Балансировка мостовой схемы наиболее просто осуществляется подстроечным внешним резистором, включенным параллельно или последовательно 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 тензорезистора, или если он находится при различных температурных условиях с интегральным тензопреобразователем. Поэтому при каждой балансировке предпочтительно использовать подстроечные компоненты, изготовленные на одной подложке с мембраной за один технологический цикл, а следовательно, имеющие температурные характеристики, близкие к характеристикам тензорезистора. Такими компонентами могут быть, например, магазины диффузионных резисторов [5].

Другим методом балансировки является включение последовательно с измерительной диагональю моста балансирующего напряжения. Если для усиления сигнала ТП используется операционный усилитель (ОУ), то такое балансирующее напряжение может обеспечить схема внешней регулировки напряжения смещения нуля усилителя (резисторы R3, R4, R5, R6 на рисунке 2.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.3 - Балансировка мостовой схемы с помощью внешней регулировки напряжения смещения нуля операционного усилителя

Градуировка возможна путем изменения питающего напряжения (или тока) или включения параллельно выходной диагонали моста шунтирующего сопротивления. Однако наиболее приемлемым для этой цели является регулирование коэффициента усиления последующего усилителя, входящего в схему ТП. Перспективны операционные усилители, изготовленные на одном кристалле с тензорезисторами или являющиеся составной частью гибридного интегрального тензопреобразователя. Резисторы обратной связи ОУ, определяющие коэффициент усиления, можно выполнить по тонкопленочной технологии и подстраивать их в этих схемах с помощью лазера.

Уменьшение температурных погрешностей ТП является одной из основных и наиболее сложных задач, различные способы решения которой заслуживают отдельного рассмотрения. Вопрос минимизации температурных погрешностей должен частично решаться уже на стадии проектирования приборов, на этапе выбора конкретного конструктивно-технологического решения. Сами же методы термокомпенсации, используемые на этом этапе, можно назвать конструктивно-технологическими, в отличие от схемных и алгоритмических методов, используемых после изготовления чувствительного элемента.

2.2 Факторы, определяющие температурную зависимость характеристик тензопреобразователей

Температурная зависимость характеристик интегральных тензопреобразователей, в первую очередь, определяется физическими свойствами полупроводников, а также особенностями конкретного конструктивного оформления тензомодуля в корпусе прибора. Рассмотрим эти факторы и некоторые конструктивно-технологические способы термокомпенсации.

Зависимость подвижности и концентрации носителей заряда в полупроводнике от температуры обусловливает температурную зависимость сопротивления ненагруженного TP. Последнюю принято характеризовать температурным коэффициентом сопротивления ТКС, значение и знак которого определяются типом и концентрацией носителей заряда.

Величина ТКС зависит от характера распределения примесей, и, следовательно, будет определяться также и структурой ТР. В равномерно-легированных тензорезисторах ТКС определяется объемной концентрацией примесей, а в диффузионных - поверхностной. На рисунке 2.4 показана зависимость ТКС диффузионных резисторов р-типа от поверхности концентрации NS примесей бора. Как видно из рисунка зависимость имеет минимум при поверхностной концентрации примесей около 3?1019 см-3. Это означает, что для снижения ТКС тензорезистора и влияния на него технологического разброса поверхностную концентрацию, необходимо выбирать вблизи указанного выше значения. Это особенно важно при включении TP в симметричные схемы (мостовые, дифференциальные), так как температурный дрейф нуля этих схем определяется уже не абсолютной величиной ТКС TP, а их разбросом внутри схемы.

Рисунок 2.4 - ТКС и ТКЧ диффузионных тензорезисторов р-типа от поверхностной концентрации примесей бора

Технология ионного легирования позволяет получать ТР, имеющие ряд преимуществ перед диффузионным: широкий диапазон значений удельного поверхностного сопротивления TP; точный контроль концентрации вводимых легирующих примесей, а следовательно, хорошая воспроизводимость характеристик и их малый разброс; линейность вольт-амперных характеристик [6]. Величина ТКС, получаемых ионным легированием структур, зависит от дозы и энергии внедряемых ионов, а также режима отжига. На рисунке 2.5 приведены значения ТКС ионнолегированного резистора при Т = 25 °С в зависимости от температуры отжига ТА [7]. Приведенная зависимость показывает, что изменение только одного параметра технологического процесса (температуры отжига) позволяет варьировать ТКС изготовленных резисторов от отрицательных до положительных значений.

Таким образом, первым конструктивно-технологическим приемом термостабилизации характеристик интегральных тензопреобразователей является правильный выбор степени легирования. Как правило, он определяется в результате компромисса между желаемыми чувствительностью и термостабильностью.

Рисунок 2.5 - Зависимость ТКС ионнолегированного резистора от температуры отжига

Зависимость главных пьезорезистивных коэффициентов от температуры вызывает соответствующую зависимость чувствительности ТП. Последняя определяется температурной зависимостью тензочувствительности TP, которая характеризуется температурным коэффициентом чувствительности. Из рисунка 2.4 видно, что выбор степени легирования ТР определяет не только его ТКС, но и ТКЧ. Изменением концентрации примесей можно получить определенное (требуемое) соотношение между ТКС и ТКЧ, что, в свою очередь, может обеспечить компенсацию температурных погрешностей ТП.

Температурная зависимость тока утечки изолирующего p-n-перехода диффузионных и ионно-легированных тензорезисторов. Ток утечки можно разделить на три составляющие в зависимости от места возникновения носителей заряда: ток термогенерации, ток утечки по поверхности, диффузионный ток [8]. Ток термогенерации определяется термогенерацией внутри обедненного слоя. Ток утечки по поверхности p-n-перехода обусловлен уровнями ловушек на поверхности раздела Si-SiO2. Диффузионная составляющая тока вызвана генерацией неосновных носителей в объеме полупроводника на расстоянии, не превышающем диффузионной длины от обедненного слоя. Согласно экспериментальным данным токи утечки диффузионных и ионно-легированных резисторов с одинаковой геометрией сравнимы друг с другом. Основной вклад вносит составляющая тока утечки по поверхности p-n-перехода. Температурная зависимость тока утечки обусловлена температурной зависимостью собственной концентрации. Так, в интервале температур 25 - 75 °С ток утечки возрастает в 10 раз, а в интервале 75 - 175 °С - в 1000 раз.

Оценим температурную погрешность, вносимую током утечки. Ток через TP положим равным 1 мА, а площадь его поверхности 10-8 м2. Тогда максимальная температурная погрешность составит 4?10-8 %/град в температурном диапазоне 25 - 75 °С. Таким образом, при малой площади ТР токами утечки и их температурной зависимостью можно пренебрегать.

Термоупругие напряжения упругого элемента преобразователя. Причиной термоупругих напряжений может служить неоднородность структуры самого УЭ (мембраны, балки, консоли и др.), например его многослойность. В интегральных тензопреобразователях УЭ выполнен из кремния. При этом его планарная сторона покрыта слоем SiO2, являющимся маской при изготовлении ТР. На обратной стороне слой SiO2, как правило отсутствует, так как с этой стороны производится армирование самого УЭ. Различие температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) кремния и двуокиси кремния вызывает термоупругие напряжения, приводящие к прогибу УЭ. Этот прогиб может оказаться существенным, если толщина слоя SiO2 соизмерима с толщиной кремниевого УЭ.

Саморазогрев тензорезисторов питающим током. В ТП тензорезисторы могут располагаться на УЭ, толщина которого может быть в десятки раз меньше стандартной толщины пластины кремния. Этим обстоятельством объясняется существенно меньшая по сравнению с резисторами интегральных микросхем предельная мощность, которую могут рассеивать ТР. Как известно, в мостовой схеме из термостабильных резисторов начальный разбаланс U0 в широких пределах линейно зависит от напряжения питания Е. В схеме из полупроводниковых TP начальный разбаланс зависит от напряжения линейно лишь до определенного порогового напряжения питания Еп, выше которого заметно сказывается саморазогрев TP протекающим током [9]. Величина Еп зависит от ряда факторов, в числе которых основными являются толщина УЭ и характер расположения и распределения TP (а следовательно, и мощность) по его поверхности.

Кроме разогрева необходимо учитывать также деформацию УЭ вследствие градиента теплового поля, вызванного этим разогревом. Это может привнести дополнительную температурную погрешность.

Для устранения или уменьшения температурных погрешностей от саморазогрева TP необходимо:

- вводить время прогрева ТП, в течение которого устанавливается стационарный тепловой режим, это время составляет несколько секунд;

- расчет параметров ТП, а также цепей их температурной компенсации производить с учетом режимных параметров TP;

- использовать распределенные мостовые схемы для увеличения порогового напряжения питания Еп;

- для обеспечения наилучшего теплоотвода от УЭ выбирать такие топологические варианты, в которых все ТР расположены по периферии мембраны и, желательно, тангенциально.

2.3 Схемные методы термокомпенсации дрейфа нуля

Исходным моментом для разработки схем компенсации являются конкретные экспериментальные температурные характеристики преобразователей, независимо от причин их происхождения.

Для компенсации аддитивной составляющей температурной погрешности ТП обычно используют симметричную, например, мостовую схему включения ТР. Температурный дрейф нуля такой схемы определяется уже не абсолютным значением ТКС, входящих в нее TP, а их разбросом. На практике разброс ТКС TP даже на одном кристалле может значительно превышать 10%, что приводит к снижению эффективности компенсации за счет мостовой схемы и требует использования дополнительных мер. Можно выделить пассивные и активные схемы термокомпенсации.

Пассивные схемы термокомпенсации предполагают включение в плечи моста пассивных элементов (постоянных резисторов, термисторов и др.), обеспечивающих необходимою коррекцию значений ТКС плеч моста.

Известны компенсаторы на основе термисторных схем. На рисунке 2.6 изображена цепь температурной компенсации с термистором RT. С помощью выбора номиналов стабильных резисторов RШ и RД обеспечивается необходимое значение ТКС компенсационной цепи и одновременная балансировка моста. Однако для создания идентичных температурных условий термистор должен быть размещен в непосредственной близости от ТР. Для миниатюрных ТП такое решение неприемлемо. Изготовление же термистора в составе полупроводникового тензомодуля требует усложнения технологии.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.6 - Схема температурной компенсации дрейфа нуля с использованием термистора

Наибольшее распространение получил метод компенсации температурного дрейфа нуля посредством включения параллельно и последовательно с плечами моста внешних стабильных резисторов. Один из возможных вариантов включения двух компенсационных резисторов - добавочного RД и шунтирующего RШ изображен на рисунке 2.7. Подобные схемы позволяют снизить аддитивную составляющую температурной погрешности более чем в 6 раз.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.7 - Схема температурной компенсации дрейфа нуля с использованием внешних термостабильных резисторов

Чаще других используют разомкнутые мостовые схемы, имеющие пять внешних выводов. Добавочные компенсационные резисторы при этом можно включать только в два плеча мостовой схемы.

Активные схемы компенсации температурного дрейфа нуля можно разделить на три различные группы в зависимости от принципа работы. К первой группе относятся схемы, подключаемые непосредственно к плечам моста и позволяющие изменять напряжение (или ток) в этих плечах с увеличением температуры.

Ко второй группе относятся схемы, в которых компенсация температурных погрешностей на этапе последующем обработки выходного сигнала моста производится без изменения параметров самой тензосхемы. В этом случае исходным является сигнал, зависящий от механического параметра и температуры. Схема компенсации преобразует его в сигнал, не зависящий от температуры.

Третья группа включает в себя схемы, позволяющие контролировать и поддерживать постоянной температуру тензомодуля. Это достигается разогревом подложки, на которой расположены TP, с помощью электронного устройства. Поддерживаемую температуру подложки при этом выбирают несколько выше максимальной рабочей температуры. Очевидно, что для работы всех перечисленных схем требуется информация о температуре, при которой находятся ТП. Такую информацию обеспечивает термочувствительный элемент расположенный вблизи, а лучше непосредственно в полупроводниковом кристалле. Наиболее перспективна в этом смысле технология, позволяющая изготавливать термоэлементы в одном технологическом цикле с ТР. В качестве термочувствительного элемента можно использовать диффузионные или ионно-легированные резисторы, прямосмещенные p-n-переходы, биполярные транзисторы и др.

Примером первой группы может служить схема, изображенная на рисунке 2.8. За счет падения напряжения на резисторах R3 и R4, вызванного протеканием термозависимых токов I1(t) и I2(T), обеспечиваются необходимые для компенсации потенциалы в точках 1 и 2. Выбором значений этих токов и номиналов резисторов осуществляется начальная балансировка схемы. Генераторы тока I1(T) и I2(T) представляют собой пару биполярных транзисторов, коллекторы которых соединены с точками 1 и 2 соответственно.

Рисунок 2.8 - Активная схема компенсации температурного дрейфа нуля мостового преобразователя

Термочувствительные элементы схемы размещены в корпусе датчика вблизи ТР. Резисторы R1 - R4, а также резисторы цепи задания режима транзисторов изготовлены по толстопленочной технологии на отдельной плате. Подгонка их номиналов до необходимого значения, которое обеспечивало бы активную компенсацию дрейфа нуля мостового преобразователя, осуществляется с помощью лазерной или абразивной подстройки.

С помощью схемы термокомпенсации второй группы осуществляется вычитание двух сигналов: моста и термопреобразователя таким образом, что результирующий сигнал зависит только от механического параметра. На рисунке 2.9 сигнал с термопреобразователя (Т, 0С), усиленный операционным усилителем ОУ-1, поступает на неинвертирующий вход усилителя-вычитателя ОУ-3. На инвертирующий вход усилителя ОУ-3 подается сигнал тензомоста после усилителя ОУ-2. Выбирая значения коэффициентов усиления ОУ-1 и ОУ-2, можно добиться одинаковых значений температурных сигналов на входах ОУ-3, что позволяет получить на выходе ОУ-3 сигнал, не зависимый от температуры.

Рисунок 2.9 - Структурная схема компенсации дрейфа нуля с Термопреобразователем

Применение схем третьей группы предполагает изготовление термочувствительного и нагревательного элементов на одной подложке с тензорезистором в непосредственной близости от них. Схемы стабилизации температуры тензомодуля работают следующим образом. Сигнал термопреобразователя поступает на схему регулятора, которая контролирует мощность, подводимую к нагревательному элементу. Нагревательный элемент разогревает подложку за счет протекающего в нем электрического тока. Температура подложки измеряется термопреобразователем. Функции нагревательного и термопреобразовательного приборов может выполнять один и тот же элемент схемы. На рисунке 2.10 представлена схема стабилизации температуры подложки, где резистор RT является одновременно термоэлементом и нагревателем.

Рисунок 2.10 - Структурная схема термостабилизации температуры подложки

2.4 Методы термокомпенсации чувствительности

Уменьшение температурного изменения чувствительности схемы можно осуществлять включением компенсационной цепи (компенсатора) во входную или выходную диагонали моста. В зависимости от того, какие элементы содержит цепь компенсации, можно выделить пассивные и активные схемы компенсации.

Пассивные схемы компенсации основаны на включении во входную или выходную цепь моста пассивной схемы, содержащей термистор. В качестве примера может служить схема, изображенная на рисунке 2.11. В данном случае компенсатор включен на входе моста последовательно с источником питания. Резисторы R1, R2 и RД, соединенные параллельно-последовательно с термистором RT, обеспечивают выбор необходимого значения ТКС компенсатора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.11 - Термисторная схема термокомпенсации чувствительности

Таким образом, температурная компенсация чувствительности тензосхемы достигается в случае, когда питающее напряжение моста UM изменяется от температуры с температурным коэффициентом, равным по величине, но противоположным по знаку ТКЧ. Другими словами, для ТП на основе кремниевых тензорезисторов, ТКЧ которых обычно имеет отрицательное значение, напряжение UM должно возрастать с увеличением температуры пропорционально уменьшению чувствительности. Поэтому в схеме (см. рисунок 2.11) термистор RT должен иметь значение ТКС<0. В случае же использования компенсатора во входной цепи моста не последовательно, а параллельно питающей диагонали необходим термистор с ТКС>0. Аналогично обстоит дело с выбором компенсатора на выходе мостовой тензосхемы.

Недостатки термисторных схем компенсации:

- сложность обеспечения одинакового воздействия температуры на TP и термистор, который из-за относительно больших габаритов трудно разместить в непосредственной близости от TP;

- временная нестабильность и нелинейность температурной зависимости полупроводникового термистора;

- сложность изготовления термистора с ТКС<0 в составе единой интегральной схемы;

- сложность настройки термисторных схем.

Активные схемы компенсации во входной цепи моста должны обеспечивать изменение питающего напряжения или тока в соответствии с температурной зависимостью чувствительности. Таким образом, схема компенсации может представлять собой регулятор напряжения или тока с температурно-зависимым выходным параметром. Идея компенсации чувствительности с помощью температурно-зависимого источника питания не нова, однако на практике используется редко.

Выходной электрический сигнал тензопреобразователя, как правило, усиливается до требуемого уровня с помощью усилителя. Сделав коэффициент усиления такого усилителя зависимым от температуры, можно осуществить температурную компенсацию выходного сигнала усилителя. Изменять коэффициент усиления усилителя с температурой позволяют температурно-зависимые цепи обратной связи (ОС) как внешние, так и внутренние. На рисунке 2.12 изображены схемы операционных усилителей с термисторами RT в цепи внешней отрицательной ОС. Для того чтобы коэффициент усиления ОУ возрастал с увеличением температуры, термистор в схеме 2.12 (а), должен иметь ТКС>0, а в схеме 2.12 (б) - ТКС<0. Стабильные резисторы R1 и R2 служат для регулировки температурного коэффициента усиления до необходимого значения.



а) б)

Рисунок 2.12 - Схемы операционных усилителей с температурно-зависимыми коэффициентами усиления: а - ТКС>0; б - ТКС<0

преобразователь тензорезисторный теплопреобразователь интегральный



3. Алгоритмические методы компенсации температурной погрешности

3.1 Общие сведения о методах градуировки

Измерительным преобразователям давления на основе тензорезисторов, получившие широкое распространение, присущи недостатки в виде значительных погрешностей от нелинейности функции преобразования и сильной температурной зависимости.

Появление микропроцессорных интеллектуальных датчиков давления позволило перейти от схемотехнических решений к алгоритмическим методам коррекции погрешностей. Определяющую роль в этом играет правильный выбор функции преобразования (ФП) измерительных преобразователей [10].

Математическая модель функции преобразования реализуется путем градуировки измерительного преобразователя. На вход преобразователя подается определенная последовательность значений образцового давлений, при фиксированных температурах среды, в которой расположен ИП. Обычно, по результатам градуировки строится обратная математическая модель (ММ) функции преобразования измерительного преобразователя [11].

В многоканальных измерительных преобразователях с интегрированным чувствительным элементом возможно упрощение процесса градуировки путем исключения процедуры стабилизации и измерения значений влияющих факторов с последующим определением входных информативных величин n-канальных преобразователей.

При таком способе градуировки в измерительном преобразователе выделяют основные и дополнительные измерительные каналы, соответствующие измеряемым и влияющим входным величинам. Измеряют значения выходных величин измерительного преобразователя при различных комбинациях его входных величин. По результатам эксперимента формируют математическую модель измерительного преобразователя и определяют значения входных величин. Причем, при проведении градуировочного эксперимента, влияющие величины изменяют во всем возможном диапазоне без стабилизации и измерения их значений. Для получения параметров математической модели измерительного преобразователя используют значения входных и выходных величин основных каналов и значения выходных величин дополнительных каналов, а значения измеряемых величин определяют по параметрам математической модели и значениям всех выходных величин измерительного преобразователя [12].

Градуировочная характеристика (ГХ) средства измерений может быть представлена в аналитическом виде (формулой), либо в виде графика или таблицы. Выбор способа задания ГХ зависит от способа использования средства измерений и сложности ГХ. Обычно предпочитают иметь ГХ, заданную формулой, причем по возможности более простого вида. Эта форма представления ГХ наиболее универсальна и характерна для многих практических задач. Если истинную функцию преобразования нельзя аппроксимировать простой функцией, то приходится задавать ГХ с помощью графика или таблицы.