RU2408857C1 - Pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal - Google Patents
Pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2408857C1 RU2408857C1 RU2009142167/28A RU2009142167A RU2408857C1 RU 2408857 C1 RU2408857 C1 RU 2408857C1 RU 2009142167/28 A RU2009142167/28 A RU 2009142167/28A RU 2009142167 A RU2009142167 A RU 2009142167A RU 2408857 C1 RU2408857 C1 RU 2408857C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- integrator
- strain
- output
- comparator
- frequency
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в условиях воздействия температур измеряемой среды как в системах автоматического контроля, так и в цифровых приборах специального и универсального назначения.The invention relates to measuring equipment and can be used to measure pressure under the influence of the temperature of the medium being measured both in automatic control systems and in digital devices of special and universal purpose.
Известны тензорезисторные датчики давления с тензорезисторами, расположенными на мембране и соединенными в мостовую измерительную цепь [1, 2]. Их общим недостатком является низкая точность в условиях воздействия температур измеряемой среды, они требуют дополнительных термокомпенсационных элементов (терморезисторов) и их подстройки.Known strain gauge pressure sensors with strain gauges located on the membrane and connected to a bridge measuring circuit [1, 2]. Their common drawback is the low accuracy under the influence of the temperature of the measured medium, they require additional thermocompensation elements (thermistors) and their adjustment.
Известен тензорезисторный датчик давления [3], основой которого является тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) с гетерогенной структурой. Под гетерогенными структурами в общем смысле понимают структуры, разнородные по своему составу или происхождению (принадлежности к той или иной форме, типу, группе, классу, системе). Датчики такого типа относятся к изделиям нано- и микросистемной техники [4].Known strain gauge pressure sensor [3], the basis of which is a thin-film nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) with a heterogeneous structure. By heterogeneous structures in the general sense we mean structures that are heterogeneous in their composition or origin (belonging to one form or another, type, group, class, system). Sensors of this type relate to products of nano- and microsystem technology [4].
Тензорезисторный датчик давления [3] содержит вакуумированный корпус, тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему, состоящую из упругого элемента в виде круглой жесткозащемленной мембраны, выполненной за одно целое с основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы. Диэлектрик выполнен в виде тонкопленочной структуры Cr-SiO-SiO2, тензоэлементы - в виде структуры Х20Н75Ю, перемычки - в виде структуры V-Au.The strain gauge pressure sensor [3] contains a vacuum housing, a thin-film nano- and microelectromechanical system, consisting of an elastic element in the form of a round rigid-clamped membrane, made in one piece with the base, on which the strain gauges connected to the bridge circuit are located. The dielectric is made in the form of a Cr-SiO-SiO 2 thin-film structure, the strain elements are in the form of an X20H75Y structure, and the bridges are in the form of a V-Au structure.
Недостатком устройств для измерения давления, содержащих указанные датчики давления и преобразователи сигнала с аналоговым выходом, является то, что они сильно чувствительны к нестабильности напряжения питания тензомоста, имеют температурную погрешность, связанную с разогревом тензорезисторов моста как от влияния температуры окружающей и измеряемой среды, так и от токопрохождения.The disadvantage of pressure measuring devices containing the indicated pressure sensors and signal converters with an analog output is that they are highly sensitive to instability of the voltage supply of the strain gage, have a temperature error associated with the heating of the strain gages of the bridge both from the influence of the temperature of the environment and the medium being measured, and from current passage.
Известен преобразователь [5] сигнала разбаланса тензомоста в частоту, содержащий тензомост, компаратор, выход которого подключен к диагонали питания тензомоста, и интегратор, выполненный на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, между выходом компаратора и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора включен второй конденсатор, вход интегратора соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора. Преобразователь содержит тензомост, интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, компаратор, выход которого подключен к диагонали питания тензомоста и через конденсатор соединен с инвертирующим входом усилителя, первый вход подключен к выходу интегратора, а второй вход - к одной из вершин измерительной диагонали тензомоста и к неинвертирующему входу усилителя. Другая вершина измерительной диагонали моста подключена к входу интегратора. Выходная частота данного преобразователя определяется по формулеA known converter [5] of the strain gage unbalance signal to a frequency, comprising a strain gage, a comparator, the output of which is connected to the power supply diagonal of the strain gage, and an integrator made on an operational amplifier with a first capacitor in the negative feedback circuit, the output of which is connected to the first input of the comparator, between the output a second capacitor is connected to the comparator and the inverting input of the integrator operational amplifier, the integrator input is connected to one of the vertices of the measuring diagonal of the tensor bridge, and its other vertex and connected to a non-inverting input of the operational amplifier of the integrator and the second input of the comparator. The converter contains a strain gauge bridge, an integrator on an operational amplifier with a capacitor in the negative feedback circuit, a comparator whose output is connected to the diagonal of the strain gauge power supply and connected through a capacitor to the inverting input of the amplifier, the first input is connected to the integrator output, and the second input to one of the measuring vertices the diagonal of the strain gage and to the non-inverting input of the amplifier. The other vertex of the measuring diagonal of the bridge is connected to the input of the integrator. The output frequency of this converter is determined by the formula
где εR - относительное изменение сопротивлений тензомоста от воздействия измеряемого давления; Rи - сопротивление интегратора, которое включает в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии; Сд - емкость дозирующего конденсатора.where ε R is the relative change in the resistance of the strain bridge from the effects of the measured pressure; R and - the resistance of the integrator, which includes the output resistance of the strain gauge bridge and the resistance of the cable line; With d - the capacity of the metering capacitor.
Как видно из формулы (1), частота выходного сигнала преобразователя определяется сопротивлением интегратора Rи, включающим в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии, емкостью конденсатора Сд и относительным изменением сопротивлений тензомоста εR от воздействия измеряемого давления, но не зависит от напряжения питания. Однако формула (1) справедлива для данного устройства в случае, когда рабочая температура тензомоста не претерпевает значительных изменений, и преобразователь работает только при разбалансе тензомоста в одну сторону, а при разбалансе в другую сторону, и даже при нулевом разбалансе схема «засыпает», т.е. выходная частота преобразователя равна нулю.As can be seen from formula (1), the frequency of the output signal of the converter is determined by the resistance of the integrator R and including the output resistance of the strain gauge bridge and the resistance of the cable line, the capacitance of the capacitor C d and the relative change in the resistance of the strain bridge ε R from the influence of the measured pressure, but does not depend on supply voltage. However, formula (1) is valid for this device in the case when the operating temperature of the strain gage does not undergo significant changes, and the converter only works when the strain gage is unbalanced in one direction, and when the imbalance is in the other direction, and even with zero imbalance, the circuit “falls asleep”, t .e. the output frequency of the converter is zero.
В реальных условиях эксплуатации датчиков давления при длительном и непрерывном времени работы и недостаточном отводе тепла рабочая температура тензомоста может изменяться за счет разогрева при протекании тока через тензорезисторы, а также за счет изменения температуры измеряемой среды, и тогда сопротивление тензорезисторов, включенных по мостовой схеме, и сопротивление тензометрического моста в целом будет изменяться пропорционально температуре в соответствии со значением температурного коэффициента сопротивления, который, к примеру, для металлопленочных тензорезисторов имеет величину порядка 3·10-3%/10°С. При этом напряжение разбаланса с выхода измерительной диагонали тензомоста будет равно не εU0, a 
Тогда формула (1) преобразуется к виду:Then the formula (1) is converted to the form:
Как видно из выражения (2), частота выходного сигнала преобразователя с увеличением температуры будет уменьшаться. Относительная температурная погрешность при этом может достигать 2% и более.As can be seen from expression (2), the frequency of the converter output signal will decrease with increasing temperature. The relative temperature error can reach 2% or more.
Таким образом, недостатками устройства, содержащего тензорезисторный датчик давления и частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста датчика, являются низкая точность при изменении сопротивлений тензорезисторов с изменением температуры разогрева тензомоста и работа преобразователя только при разбалансе тензомоста в одну сторону, т.е. «засыпание» схемы при разбалансе в другую сторону и при нулевом разбалансе.Thus, the disadvantages of the device containing the strain gauge pressure sensor and the frequency converter of the signal from the output of the strain gauge bridge are low accuracy when the resistance of the strain gauges changes with the temperature of the heating of the strain gage and the converter operates only when the strain gage is unbalanced in one direction, i.e. “Falling asleep” scheme with unbalance in the other direction and with zero unbalance.
Техническим результатом изобретения является повышение точности преобразования сигнала разбаланса тензомоста датчика: за счет уменьшения температурной погрешности путем размещения резистора интегратора на недеформируемой части чувствительного элемента и выполнения его из того же материала, что и тензорезисторы; за счет введения второго компаратора, позволяющего осуществить симметричное двухполярное напряжение питания тензомоста и, тем самым, устранить синфазную составляющую погрешности; за счет введения первого и второго дополнительных резисторов, позволяющих осуществлять симметрирование напряжения питания и, кроме того, уменьшить ток потребления тензомоста (уменьшить разогрев тензомоста от токопрохождения); за счет введения третьего дополнительного резистора, позволяющего задавать начальную частоту при разбалансе моста, как в положительную, так и в отрицательную стороны (тем самым, еще расширены функциональные возможности - реализована возможность измерения дифференциальных давлений).The technical result of the invention is to increase the accuracy of conversion of the imbalance signal of the strain gage of the sensor: by reducing the temperature error by placing the integrator resistor on the undeformable part of the sensing element and making it from the same material as the strain gages; due to the introduction of a second comparator, which allows a symmetrical bipolar voltage supply of the strain gage and, thereby, eliminate the common-mode component of the error; due to the introduction of the first and second additional resistors, which allow balancing the supply voltage and, in addition, reduce the current consumption of the strain gage (reduce the heating of the strain gage from current passage); due to the introduction of the third additional resistor, which allows you to set the initial frequency when the bridge is unbalanced, both in the positive and in the negative direction (thereby, the functionality is still expanded - the ability to measure differential pressures is implemented).
Поставленная цель достигается тем, что в известном датчике давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) с частотным выходным сигналом, содержащем тензорезисторный датчик, состоящий из корпуса, установленной в нем НиМЭМС с упругим элементом в виде мембраны с основанием, сформированной на ней гетерогенной структурой из тонких пленок материалов, в которой образованы тензорезисторы, объединенные в тензомост, частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста, содержащий компаратор и интегратор, выполненный на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, между выходом которого и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора включен второй конденсатор, инвертирующий вход операционного усилителя интегратора через резистор интегратора соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора, резистор интегратора выполнен из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлен за периферией мембраны на ее основании, введены три дополнительных резистора и второй компаратор, при этом первый дополнительный резистор соединяет первую вершину диагонали питания тензомоста с выходом первого компаратора и с первым входом второго компаратора, выход которого через второй дополнительный резистор соединен со второй вершиной диагонали питания тензомоста, которая через третий дополнительный резистор соединена с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора, при этом вторые входы компараторов подключены к шине «земля».This goal is achieved by the fact that in the known pressure sensor based on a nano- and microelectromechanical system (NiMEMS) with a frequency output signal containing a strain gauge, consisting of a housing installed in it NiMEMS with an elastic element in the form of a membrane with a base formed on it heterogeneous a structure of thin films of materials in which strain gages are formed, combined into a strain gage, a frequency converter of the signal from the output of the strain gage, containing a comparator and an integrator made on an operation amplifier with a first capacitor in the negative feedback circuit, the output of which is connected to the first input of the comparator, between the output of which and the inverting input of the integrator operational amplifier, a second capacitor is included, the inverting input of the integrator operational amplifier is connected through one of the vertices of the measuring diagonal of the tensor bridge, and its other vertex is connected to the non-inverting input of the operational amplifier of the integrator, the integrator resistor is made of the same material that the strain gages of the strain gage of the sensor are installed behind the periphery of the membrane on its base, three additional resistors and a second comparator are introduced, while the first additional resistor connects the first vertex of the feed diagonal of the strain gage with the output of the first comparator and with the first input of the second comparator, the output of which is through the second additional the resistor is connected to the second vertex of the load bridge diagonal, which is connected through the third additional resistor to the inverting input of the operational amplifier integrat pa, wherein the second inputs of the comparators are connected to the bus "land".
Датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) с частотным выходным сигналом содержит тензорезисторный датчик давления 1 и частотный преобразователь 2 сигнала с выхода тензомоста (фиг.1).The pressure sensor based on a nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) with a frequency output signal contains a strain
Тензорезисторный датчик давления 1 (фиг.1) содержит корпус 3 со штуцером 4 (фиг.2), установленную в нем тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) 5, выводные проводники 6, кабельную перемычку 7. Тонкопленочная НиМЭМС 5 представляет собой конструктивно законченный модуль, обеспечивающий высокую технологичность сборки датчика.The strain gauge pressure sensor 1 (Fig. 1) contains a housing 3 with a fitting 4 (Fig. 2), a thin-film nano- and microelectromechanical system (NiMEMS) 5 installed in it,
Частотный преобразователь 2 (фиг.1) сигнала с выхода тензомоста может быть выполнен в виде микроэлектронного модуля 8 (фиг.2), установленного в корпусе датчика.The frequency Converter 2 (Fig.1) of the signal from the output of the strain gage can be made in the form of a microelectronic module 8 (Fig.2) installed in the sensor housing.
На фиг.3 отдельно показана тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) датчика давления 1. Она состоит из упругого элемента - круглой мембраны 9, жестко заделанной по контуру, с периферийным основанием 10 за границей 11 мембраны, гетерогенной структуры 12, контактной колодки 13, герметизирующей втулки 14, соединительных проводников 15, выводных колков 16, диэлектрических втулок 17. Гетерогенная структура 12 из тонких пленок материалов (тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные, контактные и т.п. слои материалов) сформирована на мембране 9 методами нано- и микроэлектронной технологии, в которой образованы тензорезисторы, объединенные в тензомост.Figure 3 separately shows a thin-film nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) of the
На фиг.4 представлена функциональная электрическая схема датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) с частотным выходным сигналом. Она включает тензомост 18 тензорезисторного датчика давления 1 (фиг.2) и частотный преобразователь сигнала 2 (фиг.2) с выхода тензомоста датчика.Figure 4 presents a functional electrical diagram of a pressure sensor based on a nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) with a frequency output signal. It includes a strain gauge 18 of the strain gauge pressure sensor 1 (figure 2) and a frequency signal converter 2 (figure 2) from the output of the strain gauge bridge of the sensor.
Частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста 18 датчика давления содержит интегратор 19, выполненный на операционном усилителе 20 с первым конденсатором 21 в цепи обратной связи, выход которого подключен к первому входу первого компаратора 22, инвертирующий вход операционного усилителя 20 интегратора через второй конденсатор 23 соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста 18 и через резистор интегратора 24 с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 18, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя 20 интегратора 19. Первый дополнительный резистор 25 соединяет первую вершину диагонали питания тензомоста 18 с выходом первого компаратора 22 и с первым входом второго компаратора 26, выход которого через второй дополнительный резистор 27 соединен со второй вершиной диагонали питания тензомоста 18, которая через третий дополнительный резистор 28 соединена с инвертирующим входом операционного усилителя 20 интегратора 19, при этом вторые входы компараторов 22 и 26 подключены к шине «земля». Резистор интегратора 24, выполненный из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлен за периферией мембраны по контуру на ее основании.The frequency signal converter from the output of the strain gauge bridge 18 of the pressure sensor contains an integrator 19 made on the operational amplifier 20 with a first capacitor 21 in the feedback circuit, the output of which is connected to the first input of the first comparator 22, the inverting input of the operational amplifier 20 of the integrator through the second capacitor 23 is connected to the first the top of the strain gage diagonal 18 and through the
Тонкопленочная гетерогенная структура 12 нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) датчика давления (фиг.3) состоит из нано- и микроразмерных слоев, сформированных на металлической мембране (в качестве материала мембраны может быть сталь 36НХТЮ) с высотой микронеровностей не более 50-100 нм (при высоте микронеровностей мембраны более 100 нм становится принципиально невозможным получение устойчивых тонкопленочных структур, а следовательно, и новых качественных показателей, характерных для датчика). Она содержит слой диэлектрика (например, в виде структуры Cr-SiO-SiO2, где Cr используется в качестве подслоя толщиной 150-300 нм), резистивный слой (например, в виде структуры Х20Н75Ю толщиной 40…100 нм) и слой контактной группы (например, в виде структуры V-Au для формирования контактных площадок, перемычек, проводников).The thin-film
В гетерогенной структуре 12 (фиг.5) методами фотолитографии и травления на мембране 30 формируют контактные площадки 29, мостовую схему из тензорезисторов 31-34 и резистор интегратора 24, выполненный из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, и расположенный на основании за границей мембраны (обозначенной пунктиром) в зоне, не чувствительной к механическим деформациям от давления.In the heterogeneous structure 12 (Fig. 5), by means of photolithography and etching, on the
Датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) с частотным выходным сигналом работает следующим образом.A pressure sensor based on a nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) with a frequency output signal operates as follows.
Измеряемое давление Р воздействует на упругий элемент - мембрану тензорезисторного датчика давления 1 (фиг.1), деформация которой с помощью тензорезисторов тензомоста преобразуется в напряжение, подаваемое на вход частотного преобразователя 2 (фиг.4). На выходе частотного преобразователя 2 сигнала с тензомоста генерируется сигнал прямоугольной формы типа «меандр» с частотой, пропорциональной измеряемому давлению. Питание датчика осуществляется от двухполярного источника постоянного напряжения, не требующего стабилизации в силу того, что питание тензомоста 18 (фиг.4) осуществляется напряжением с выхода частотного преобразователя 2, амплитуда которого не влияет на частоту выходного сигнала устройства.The measured pressure P acts on the elastic element - the membrane of the strain gauge pressure sensor 1 (figure 1), the deformation of which with the help of strain gauges of the strain gage is converted to the voltage supplied to the input of the frequency Converter 2 (figure 4). At the output of the
Для описания работы частотного преобразователя и вывода функции преобразования введем обозначения:To describe the operation of the frequency converter and the output of the conversion function, we introduce the following notation:
R - сопротивление тензомоста;R is the resistance of the strain bridge;
R25, R27 - первый и второй дополнительные резисторы;R 25 , R 27 - the first and second additional resistors;
е=R25/R, f=R27/R - коэффициенты пропорциональности;е = R 25 / R, f = R 27 / R - proportionality coefficients;
R24 - сопротивление интегратора;R 24 is the resistance of the integrator;
R28 - третий дополнительный резистор (установки начальной частоты);R 28 is the third additional resistor (setting the initial frequency);
С21 - емкость конденсатора интегратора (в цепи обратной связи);C 21 - capacitor of the integrator capacitor (in the feedback circuit);
С23 - емкость второго (дозирующего) конденсатора.C 23 - the capacity of the second (dosing) capacitor.
Произведем расчет сопротивлений между узлами схемы, потенциалы в узлах схемы и падения напряжения на отдельных участках:We will calculate the resistances between the nodes of the circuit, the potentials in the nodes of the circuit and the voltage drop in individual sections:
Rcd=R;R cd = R;
RΣ=R(1+e+f)=RP, где P=(1+e+f).R Σ = R (1 + e + f) = RP, where P = (1 + e + f).
В установившемся режиме работы устройства с выходов компараторов 22 и 26 преобразователя следуют разнополярные импульсы амплитудой ±U0 и 
Пусть в момент t0 на выходе компаратора 22 произошла смена полярности выходного напряжения с -U0 на +U0. Тогда напряжение на выходе интегратора 20 будет определяться скачком напряжения за счет перезаряда емкости второго (дозирующего) конденсатора 23, равнымLet at the moment t 0 at the output of the comparator 22 there was a change in the polarity of the output voltage from -U 0 to + U 0 . Then the voltage at the output of the integrator 20 will be determined by a voltage surge due to the overcharge of the capacitance of the second (metering) capacitor 23, equal to
На интервале времени (t0÷t1) на выходе интегратора 20 будет изменяться за счет интегрирования сигнала разбаланса тензомоста 18 (Uε) и потенциала напряжения в точке d(Ud):In the time interval (t 0 ÷ t 1 ) at the output of the integrator 20 will vary due to the integration of the signal of the unbalance of the strain bridge 18 (U ε ) and the voltage potential at the point d (U d ):
С учетом начальных условий (скачка напряжения) напряжение на выходе интегратора в течение полупериода T/2 будет изменяться и в момент t1 будет равно нулюGiven the initial conditions (power surge), the voltage at the output of the integrator during the half-cycle T / 2 will change and at time t 1 will be zero
Решая уравнение относительно 
из которогоfrom which
Из данного выражения следует, что при нулевом разбалансе тензомоста (ε=0) начальная частота F0 будет определяться какFrom this expression it follows that at zero imbalance of the strain bridge (ε = 0), the initial frequency F 0 will be determined as
а девиация частоты выходного сигналаand the frequency deviation of the output signal
Диапазон изменения выходной частоты преобразователя в зависимости от заданного разбаланса тензомоста 18, который соответствует заданному диапазону измеряемого давления, можно устанавливать с помощью емкости конденсатора C23 и сопротивления интегратора R24, а начальную частоту - с помощью резистора 28 с учетом выбранного значения емкости конденсатора С23.The range of variation of the output frequency of the converter depending on a given imbalance of the strain gage 18, which corresponds to a given range of the measured pressure, can be set using the capacitor capacitor C 23 and the integrator resistance R 24 , and the initial frequency using the resistor 28 taking into account the selected value of the capacitor C 23 .
При равенстве сопротивлений R25=R27, т.е. когда е=f, начальная частота выходного сигнала будет равнаIf the resistance is equal, R 25 = R 27 , i.e. when e = f, the initial frequency of the output signal will be equal to
а девиация частоты будет определяться величиной разбаланса тензомостаand the frequency deviation will be determined by the magnitude of the strain gage unbalance
Как видно из выражений (7)-(11), на частоту выходного сигнала не влияют изменения емкости интегратора С21 и напряжения питания U0.As can be seen from expressions (7) - (11), the frequency of the output signal is not affected by changes in the capacitance of the integrator C 21 and the supply voltage U 0 .
Введение в схему дополнительных резисторов 25 и 27 уменьшает напряжение питания тензомоста 18, снижает мощность, выделяемую тензорезисторами, и не сказывается на чувствительности устройства, поскольку функция преобразования не зависит от напряжения питания. Снижение мощности, выделяемой тензорезисторами, позволяет снизить температуру разогрева тензорезисторов от протекающего через них тока. При этом снижается энергопотребление датчика давления 1. Кроме того, изменяя сопротивления резисторов 25 и 27, можно производить дополнительную регулировку и подгонку выходной частоты преобразователя (как начальную частоту, так и девиацию частоты), то есть обеспечить подстройку не за счет подгонки тензорезисторов датчика, а путем подстройки одного из резисторов 25 или 27 (расположенных вне чувствительного элемента в модуле частотного преобразователя).The introduction of additional resistors 25 and 27 into the circuit reduces the supply voltage of the strain gauge bridge 18, reduces the power released by the strain gauges, and does not affect the sensitivity of the device, since the conversion function does not depend on the supply voltage. Reducing the power released by the strain gauges, allows to reduce the heating temperature of the strain gauges from the current flowing through them. This reduces the energy consumption of the
Однако данные выражения не учитывают изменение сопротивления тензомоста при воздействии температуры.However, these expressions do not take into account the change in the resistance of the strain bridge when exposed to temperature.
С учетом влияния температуры при разогреве (или охлаждении) тензорезисторов изменяются их сопротивления и функция преобразования (7) частотного преобразователя будет выглядеть следующим образом:Taking into account the influence of temperature during heating (or cooling) of the strain gages, their resistance changes and the conversion function (7) of the frequency converter will look like this:
где 
При размещении резистора 24 интегратора 19 непосредственно на мембране датчика давления в зоне, не чувствительной к механическим деформациям (на основании мембраны), но близкой по температуре к температуре тензорезисторов, и выполнения его из того же материала, что и тензорезисторы (что значительно упрощает технологию изготовления гетерогенной структуры датчика давления), с теми же температурными коэффициентами, можно скомпенсировать температурную погрешность и функция преобразования будет иметь вид:When placing the
в котором 
Математическое моделирование датчика давления с учетом реально возможных значений параметров схемы и заданных диапазонов разбаланса тензомоста, температуры разогрева датчика давления, частоты выходного сигнала, конкретных значений температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов и резистора интегратора позволило получить графические зависимости выходного сигнала от изменения перечисленных выше параметров и произвести сравнительную оценку заявляемого устройства с прототипом.Mathematical modeling of the pressure sensor taking into account the real possible values of the circuit parameters and the specified ranges of the strain gage unbalance, the temperature of the pressure sensor heating, the output signal frequency, specific values of the temperature coefficient of resistance of the strain gages and the integrator resistor made it possible to obtain graphical dependences of the output signal on the changes in the above parameters and make a comparative assessment the claimed device with a prototype.
На фиг.6 показана зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста ε согласно выражению (7) в диапазоне от -0,01 до +0,01 без учета влияния температуры при следующих параметрах схемы: сопротивление тензомоста R=700 Ом, сопротивление интегратора R24=6666 Ом, сопротивление резистора R28=166666 Ом, сопротивления резисторов R25 и R27 равны 700 Ом, емкость конденсатора C23=15 пФ.Figure 6 shows the dependence of the frequency of the output signal on the unbalance of the tensor bridge ε according to expression (7) in the range from -0.01 to +0.01 without taking into account the influence of temperature for the following circuit parameters: tensor bridge resistance R = 700 Ohm, integrator resistance R 24 = 6666 Ohms, the resistance of the resistor R 28 = 166666 Ohms, the resistances of the resistors R 25 and R 27 are 700 Ohms, the capacitance of the capacitor is C 23 = 15 pF.
Из графика фиг.6 видно, что зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста изменяется от 5000 Гц при ε=-0,01 до 15000 Гц при ε=+0,01 и равна 10000 Гц при ε=0, носит линейный характер во всем диапазоне разбаланса (как в отрицательной, так и в положительной области), что может быть использовано в дифференциальных датчиках давления и по сравнению с прототипом [5], который работает только при одностороннем разбалансе тензомоста, расширяет функциональные возможности устройства.From the graph of Fig.6 it can be seen that the dependence of the output signal frequency on the strain gage unbalance varies from 5000 Hz at ε = -0.01 to 15000 Hz at ε = + 0.01 and is equal to 10000 Hz at ε = 0, is linear in everything the imbalance range (both in the negative and in the positive region), which can be used in differential pressure sensors and, compared with the prototype [5], which works only with unilateral strain bridge imbalance, expands the functionality of the device.
На фиг.7 показана зависимость частоты выходного сигнала от влияния температуры разогрева тензомоста в диапазоне температур от -100°С до +300°С при разбалансе тензомоста ε=-0,01, когда резистор 24 интегратора расположен в модуле (схеме) частотного преобразователя Rи (схема) и на мембране датчика давления Rи(мембр.).Figure 7 shows the dependence of the frequency of the output signal on the influence of the temperature of the heating bridge in the temperature range from -100 ° C to + 300 ° C with the imbalance of the strain bridge ε = -0.01, when the
На фиг.8 показана аналогичная зависимость частоты выходного сигнала при разбалансе тензомоста ε=+0,01.On Fig shows a similar dependence of the frequency of the output signal with the imbalance of the strain bridge ε = + 0,01.
Из графиков зависимостей видно, что при расположении резистора интегратора в схеме частотного преобразователя (как в прототипе) частота выходного сигнала при отрицательном разбалансе тензомоста (ε=-0,01) увеличивается с ростом температуры и уменьшается при положительном разбалансе (ε=+0,01), а при размещении резистора интегратора на мембране датчика происходит компенсация температурной погрешности частотного преобразователя.From the dependency graphs it is seen that when the integrator resistor is located in the frequency converter circuit (as in the prototype), the frequency of the output signal with a negative strain gage imbalance (ε = -0.01) increases with temperature and decreases with a positive imbalance (ε = + 0.01 ), and when placing the integrator resistor on the sensor membrane, the temperature error of the frequency converter is compensated.
При повышении температуры измеряемой среды происходит разогрев тензомоста как за счет разогрева датчика от воздействия среды, так и за счет протекания тока через тензорезисторы, что ограничивает повышение чувствительности датчиков давления путем повышения напряжения питания тензомоста и соответственно увеличения амплитуды сигнала с выхода измерительной диагонали тензомоста из-за ограниченной мощности тензорезисторов. С повышением температуры и увеличением разбаланса тензомоста сказываются температурные изменения сопротивлений тензорезисторов, которые приводят к дополнительной погрешности преобразования. Введение в схему частотного преобразователя дополнительных резисторов 25 и 27 в случае равенства их номиналов не влияют на частоту выходного сигнала преобразователя, однако уменьшают разогрев тензорезисторов за счет уменьшения тока, протекающего через тензомост.When the temperature of the medium being measured increases, the strain gages are heated both by heating the sensor from the influence of the medium and by the flow of current through the strain gages, which limits the increase in the sensitivity of pressure sensors by increasing the voltage supply of the strain gage and, accordingly, increasing the signal amplitude from the output of the measuring diagonal of the strain gage due to limited power strain gages. With an increase in temperature and an increase in the imbalance of the strain gage, temperature changes in the resistance of the strain gages are affected, which lead to an additional conversion error. The introduction of additional resistors 25 and 27 into the frequency converter circuit, if their values are equal, does not affect the frequency of the converter output signal, however, they reduce the heating of the strain gages due to a decrease in the current flowing through the strain gage.
Таким образом, для заданных значений диапазона измеряемых давлений, температуры разогрева тензомоста, частотного диапазона выходного сигнала устройства, путем правильного подбора параметров элементов схемы частотного преобразователя сигнала с выхода тензомоста можно значительно уменьшить (или почти полностью компенсировать) погрешность измерения датчика давления, связанную с изменением температуры измеряемой среды и с разогревом тензомоста датчика давления.Thus, for given values of the range of measured pressures, the temperature of the heating of the strain gage, the frequency range of the output signal of the device, by correctly selecting the parameters of the circuit elements of the frequency converter of the signal from the output of the strain gage, it is possible to significantly reduce (or almost completely compensate) the measurement error of the pressure sensor associated with a change in temperature the measured medium and with heating the strain gauge of the pressure sensor.
Схема принципиальная электрическая устройства была смоделирована с помощью компьютерной программы «Micro-Cap» и представлена на фиг.9. На фиг.10 показаны формы и амплитуды сигналов с выхода интегратора устройства (верхняя диаграмма) и с выхода компараторов (нижние диаграммы), а также частота выходного сигнала (в правом верхнем углу). Результаты схемотехнического компьютерного моделирования подтвердили справедливость выведенных выражений и результатов математического моделирования.The circuit diagram of the electrical device was modeled using the computer program "Micro-Cap" and is presented in Fig.9. Figure 10 shows the waveforms and amplitudes of the signals from the output of the device integrator (upper diagram) and from the output of the comparators (lower diagrams), as well as the frequency of the output signal (in the upper right corner). The results of circuit computer simulation confirmed the validity of the derived expressions and the results of mathematical modeling.
Источники информацииInformation sources
1. Васильев В.А. Технологические особенности твердотельных мембранных чувствительных элементов // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение. - М., 2002. - №4 - С.97-108.1. Vasiliev V.A. Technological features of solid-state membrane sensitive elements // Bulletin of Moscow State Technical University. Ser. Instrument making. - M., 2002. - No. 4 - S.97-108.
2. Белозубов Е.М. Патент РФ. №2031355, 6 G01B 7/16. Способ термокомпенсации тензомоста. Бюл. №8 от 20.03.95.2. Belozubov EM RF patent. No. 2031355, 6
3. Белозубов Е.М. Патент РФ №2082124. Датчик давления. Бюл. №17. от 20.06.97.3. Belozubov EM RF patent No. 2082124. Pressure meter. Bull.
4. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Тонкопленочные тензорезисторные датчики давления - изделия нано- и микросистемной техники // Нано- и микросистемная техника - М., 2007. - №12. - С.49-51.4. Belozubov EM, Belozubova N.E. Thin-film strain gauge pressure sensors - products of nano- and microsystem technology // Nano and microsystem technology - M., 2007. - No. 12. - S. 49-51.
5. Громков Н.В., Михотин В.Д., Шахов Э.К., Шляндин В.М. А.с. СССР №828406, М. Кл. Н03K 13/20. Опубл. 07.05.81. Бюл. №17.5. Gromkov N.V., Mikhotin V.D., Shakhov E.K., Shlyandin V.M. A.S. USSR No. 828406, M. Cl.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009142167/28A RU2408857C1 (en) | 2009-11-16 | 2009-11-16 | Pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009142167/28A RU2408857C1 (en) | 2009-11-16 | 2009-11-16 | Pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2408857C1 true RU2408857C1 (en) | 2011-01-10 |
Family
ID=44054683
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009142167/28A RU2408857C1 (en) | 2009-11-16 | 2009-11-16 | Pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2408857C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2505885C1 (en) * | 2012-06-09 | 2014-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Method of making vacuum sensor with preset-sensitivity nanostructure and vacuum sensor built there around |
| RU2506659C2 (en) * | 2012-05-21 | 2014-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Method to manufacture vacuum sensor with nanostructure higher sensitivity and vacuum sensor on its basis |
| WO2014134291A1 (en) * | 2013-02-27 | 2014-09-04 | Texas Instruments Incorporated | Capacitive mems sensor devices |
| RU2584341C1 (en) * | 2015-03-30 | 2016-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Multipoint frequency device for measuring pressure, weight and deformations |
-
2009
- 2009-11-16 RU RU2009142167/28A patent/RU2408857C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2506659C2 (en) * | 2012-05-21 | 2014-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Method to manufacture vacuum sensor with nanostructure higher sensitivity and vacuum sensor on its basis |
| RU2505885C1 (en) * | 2012-06-09 | 2014-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Method of making vacuum sensor with preset-sensitivity nanostructure and vacuum sensor built there around |
| WO2014134291A1 (en) * | 2013-02-27 | 2014-09-04 | Texas Instruments Incorporated | Capacitive mems sensor devices |
| US9470710B2 (en) | 2013-02-27 | 2016-10-18 | Texas Instruments Incorporated | Capacitive MEMS sensor devices |
| US10107830B2 (en) | 2013-02-27 | 2018-10-23 | Texas Instruments Incorporated | Method of forming capacitive MEMS sensor devices |
| RU2584341C1 (en) * | 2015-03-30 | 2016-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Multipoint frequency device for measuring pressure, weight and deformations |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2398195C1 (en) | Method of making nano- and micro-electromechanical pressure sensor system and pressure sensor based on said system | |
| JPH0257853B2 (en) | ||
| RU2408857C1 (en) | Pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal | |
| Maundy et al. | Strain gauge amplifier circuits | |
| Atmanand et al. | A microcontroller-based quasi-balanced bridge for the measurement of L, C and R | |
| RU2398196C1 (en) | Device for measuring pressure based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal | |
| RU2397460C1 (en) | Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system | |
| CN111051900B (en) | Apparatus and method for determining power value of target | |
| Ghosh et al. | A novel sensitivity enhancement technique employing wheatstone's bridge for strain and temperature measurement | |
| RU2391640C1 (en) | Strain gauge pressure sensor on basis of thin-film nano- and microelectromechanical system | |
| Alsnaie et al. | Study and Design of a Multi-range Programmable Sensor for Temperature Measurement | |
| Bera et al. | A modified Schering bridge for measurement of the dielectric parameters of a material and the capacitance of a capacitive transducer | |
| RU2395060C1 (en) | Frequency converter for disbalance signal of strain gauge bridge with low temperature error | |
| RU2406985C1 (en) | Pressure measurement device based on nano- and micro-electromechanical system having frequency output | |
| Sanyal et al. | An analog non-linear signal conditioning circuit for constant temperature anemometer | |
| Jain et al. | An efficient digitization scheme for resistive sensors interfaced through quarter bridge | |
| Pavithra et al. | Design, development, fabrication and testing of low-cost, laser-engraved, embedded, nano-composite-based pressure sensor | |
| CN206488792U (en) | A kind of high-precision single arm bridge circuit of sketch-based user interface method | |
| Jain et al. | Self-balancing digitizer for resistive half-bridge | |
| RU2430342C1 (en) | Semiconductor pressure gage with frequency output signal | |
| Chattopadhyay et al. | Modified AC Wheatstone bridge network for accurate measurement of pressure using strain gauge type pressure sensor | |
| RU2601613C1 (en) | Thermally stable pressure sensor based on nano-and micro-electromechanical system with membrane having rigid centre | |
| RU2789106C1 (en) | Method for measuring liquid or gas pressure and device for its implementation | |
| Ćerimović et al. | Smart flow sensor with combined frequency, duty-cycle, and amplitude output | |
| RU2377517C1 (en) | Pressure gauge |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111117 |