Полупроводниковый датчик давления

С позиций принятой здесь методики оценки принципа действия датчиков давления, полупроводниковый датчик имеет все признаки типовой структурной схемы рис. 4.7. В нем имеется упругий чувствительный элемент, вторичный преобразователь и более вероятнее по сравнению с другими датчиками в нем имеется электронный блок обработки сигналов.

Особенностью полупроводникового датчика давления является то, что его чувствительный элемент к давлению изготавливается из полупроводникового материала, например, кремния или сапфира. В качестве вторичного преобразователя применяется также полупроводниковый тензорезистор р-типа проводимости, например. Тензорезистор по полупроводниковой планарной технологии вживляется в тело мембраны и соединяются с ним на молекулярном уровне во избежание появления эффекта ползучести характеристики. Упругая мембрана иногда изготавливается из монокристалла в виде колпачка или в виде пластины.

Рабочие тензорезисторы располагаются вдоль радиуса мембраны для получения максимальной чувствительности. При действии давления мембрана деформируется, ее незначительное перемещение передается на тензорезисторы, удельное сопротивление которых изменяется пропорционально измеряемому давлению.

Чтобы получить на выходе датчика электрический сигнал, его тензорезисторы подключаются к электрическому напряжению по схеме уравновешенного моста Уитстона. Для полупроводникового датчика предпочтительным напряжением является напряжение постоянного тока, что исключает балансировку моста по фазе и вредные помехи. Мост электрически уравновешивается при начальном значении измеряемого давления. Дальнейшие изменения напряжения (тока) с моста будут находиться в диапазоне измеряемого давления.

Особенностью полупроводникового тензорезистора является его высокая чувствительность к деформации по сравнению с проволочными. В образовании тензоэффекта участвуют геометрические и объемные изменения полупроводникового тензорезистора под действием деформации упругого чувствительного элемента. Причем геометрические изменения приводят только к 2 % изменения электрического сопротивления тензорезистора. Остальные 98 % – за счет объемных изменений [42].

В связи с чрезвычайно малыми перемещениями и деформациями упругого чувствительного элемента в процессе измерения его стали называть твердотельным. Его перемещения находятся на уровне 10^-9 м. Это чрезвычайно малые перемещения, которые, тем не менее, необходимо удерживать при достижении сверхвысоких точностей.

На рис. 4.33 приведена электрическая схема полупроводникового датчика давления. Она представляет собой четырехплечий мост Уитстона с элементами компенсации по температуре и его балансировки. Все элементы схемы могут располагаться в теле чувствительного элемента, кроме согласующего выход R₁₀. Однако это уже касается интегрального полупроводникового датчика давления.

Полупроводниковыми твердотельными датчиками давления с упругой мембраной из монокристалла кремния успешно занимается форма Хонеувелл (Honeywell, США) (рис. 4.34).

Рис. 4.33. Электрическая схема датчика давления с полупроводниковыми тензорезисторами: R1, R2, R3, R4 – полупроводниковые тензорезисторы; R5 – резистор для согласования внутреннего сопротивления моста; R6, R7 – резисторы для балансировки моста; R8, R9 – резисторы для температурной компенсации моста; R10 – резистор для согласования выходного сигнала

Несмотря на очевидные преимущества цифрового кодового сигнала в некоторых современных датчиках давления предусматриваются и аналоговые выходы, как это сделано в схеме на рис. 4.34. Считается, что самым надежным является сигнал непосредственно с резистивного моста.

Рис. 4.34. Функциональная схема полупроводникового датчика давления: 1 – мембрана; 2 – элементы моста на мембране; 3 – мост; 4 – усилитель; 5 – фильтр; 6 ‑ компаратор напряжения; 7 ‑ преобразователь-генератор; 8 – усилитель; 9 – источник постоянного тока

Наиболее перспективными датчиками для СВС военных и гражданских летательных аппаратов являются: полупроводниковый с использованием тензорезистивного и пьезоэлектрического эффектов; вибрационно-частотный; емкостный. Основная погрешность датчиков должна быть не более 0,005 – 0,01 % от измеряемого давления; потребляемая мощность не более 1 – 1,5 Вт; средняя наработка на отказ не менее 40000 часов; назначенный ресурс не менее 25000 часов; календарный срок эксплуатации не менее 25 лет; масса порядка 0,25 кг в минимальном габаритном объеме. Только такие характеристики датчиков давления позволяют реализовать требования НЛГС к параметрам движения в СВС.