SU1029011A1 - Устройство дл измерени параметров среды - Google Patents

Description

2, Устройство по п. 1, о т л и чающеес  тем, что, с целью повьниени  точности измерени  давлени  среды, в цепь обратной св зи вто

,рого дифференциального усилител  включен полевой транзистор, затвор которого соединен с выходом первого дифференциального усилител .

Изобретение относитс  к измерительной технике и предназначено дл  измерени  параметров среды - скрости , расхода и давлени . Изобретение может быть использовано в метеорологии , автомобильной, химичес-i кой, электронной промышленност х.

Известно устройство дл  измерени  параметров среды, содержащее корпус с размещенным в нем датчиком давлени  в виде пьезоэлектрической пластинки с внутренним и наружным пленочным электродами. Наружный электрод соединен с источником посто нного тока и измерителем электрического сопротивлени . Известное устройство позвол ет измер ть скорость и давление среды 1.

Однако известное устройство|обладает невысокой точностью, вследствии изменени  коэффициента пьезочувствительности от температуры среды, а также температуры наружного электрода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству вл етс  расходомер на интегральных схемах с функцией определени  направлени  потока, содержащий монолитный полупроводниковый кристалл, на котором сформированы методами планарной технологии регулирующий транзистор, обеспечивающий посто нный перегрев кристалла над температурой потока и два термочувствительных элемента, представл ющие собой, бипол рные транзисторы. Термочувств тельные элементы расположены по обестороны от транзистора-нагревател  и включены в смежные плечи мостовой измерительной схемы. „Схема управлени  транзистора-нагревател  содержит компенсатор, представл ющий собой транзистор, помещ.енный отдельно в поток среды и измер ющий температуру потока. Термокомпенсатор

соединен с операционным усилителем, выход которого подключен к базе транзистора-нагревател  Г ЗИзвестное устройство предназна чено дл  измерени  скорости и расхода потока и не дает информации о других параметрах потока.

Цель изобретени  - повышение точности измерени  и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройстве дл  измерени  параметров среды, содержащем полупроводниковую пластину, на одной стороне которой сформированы регулирующий транзистор, нагреватель и два термочувствительных элемента, расположенных по обе стороны от него и включенных в смежные плечи моста измерительной схемы, обща  точка которых подключена к инвертирующему входу операционного усилител , неинвертирующий .вход которого соединен с компенсационным термочувствительным элементом, расположенным вне зо ны нагрева, а выход подключен к базе регулирующего транзистора, эмиттер , и коллектор которого подключены к источнику питани , измерительна  диагональ моста соединена со входа ми первого дифференциального усилител , нагреватель выполнен в виде тензорезистора с поперечной пьезоЭДС на другой стороне полупроводниковой пластины сформирована мембрана, а з измерительную схему введен,второй дифференциальный усилитель, при этом коллектор регулирующего транзистора соединен с одним из токовых контактов тензорезистора, другой токовый контакт которого подключен непосредственно к источнику питани , а потенциальные контакты тензорезистора подключены к входам второго дифференциального усилител .

Кроме того, дл  повышени  точности измерени  давлени  среды, в цепь обратной св зи второго дифференци- ального усилител  включен полевой транзистор, затвор которого соедине с выходом первого дифференциального усилител . На фиг, 1 показана монолитна  полупроводникова  пластина во взаим действии с потоком контролируемой среды, разрез; на фиг. 2 - электрическа  схема устройства дл  измерени  параметров среды. Устройство содержит монол14тную полупроводниковую пластину 1, на од , ной стороне 2 которой размещены два (Термочувствительных элемента ( 3 и t {представл ющие собой бипол рные (транзисторы, включенные в смежные плечи мостовой измерительной схемы. На стороне 2 пластины 1 расположен тензорезистор 5 е поперечной пьезоЭ имеющий токовые контакты 6 и 7 и по тенциальные контакты 8 и 9. Со стороны 10 в пластине 1 сформирована тонка  йембрана 11 дл  увеличени  чувствительности к давлению, увели чени  теплового сопротивлени  между тензорезистором 5, термочувстви гель ными элементами 3 и по массе моно литной полупроводниковой пластины а также дл  уменьшени  тепловой ине цйонности измерений, Полупроводникова пластина с мембраной представ л ют собой одно целое и изготавлива ютс  по групповой планарной интегральной технологии из полупроводникового материала. Токовый контакт 6 тензорезистора 5 соединен с плюсом источника питани  12, а токовый контакт 7 с кол лектором регулирующего транзистора 13, база которого соединена с выходом I операционного усилител  15. Неинвертирующий вход 16 усилител  15 соединен с эмиттером транзистора 17, служащего термокомпенсатором, который помещен в среду и измер ет ее температуру. Коллектор транзисто ра 17 через ограничительное сопротивление 18 соединен с плюсом источника питани  12, Транзистор 17 включен в режиме датчика температуры , ток через который поддерживаетс  посто нным при помощи источника посто нного тока 19. Термочувствительные элементы 3 и k включены в мостовую измерительную схему, разностный сигнал которо подаетс  на входы 20 и 21 дифференциального усилител  2, Сопротивлени  23 и 2  вл ютс  плечами мостовой измерительной схемы. Токи через термочувствительные элементы 3 и 4 прд держиваютс  посто нными посредством у источника посто нного тока 25. Точка подключени  26 эмиттере транзис торов,  вл ющихс  термочувствительными элементами 3 и t соединена с инвертирующим входом 27 операционного усилител  15, Потенциальные контакты 8 и 9 размещены в зоне наибольших деформаций, на кра х, либо в центре мембраны, в зависимости от кристаллографической ориентации исходного полупроводниKq ,BOro материала, и подключены между входами 28 и 29 дополнительного дифференциального усилител  30, между выходом 31 и входом 29 которого включен полевой транзистор 32, реализующий цепь обратной св зи. Полевой транзистор 32 своим затвором подключен к выходу дифференциального усилител  22. Устройство работает следующим образом . При скорости потока среды, равной нулю, задаетс  определенный перегрев монолитной полупроводниковой пластины 1, определ емый заданной величиной нагревательного тока, протекающего по тензорезистору 5 через токовые контакты 6 и 7. Пластина 1 равномерно прогреваетс , термочувствительные элементы 3 и имеют равные сигналы на коллекторах. Выходной сиг-нал мостовой измерительной схемы равен нулю. При движении контролируемой среды вдоль поверхности 10 монолитной полупроводниковой пластины 1 происходит теплообмен между элементами пластины 1 и средой. Пограничный слой З частично нагреваетс  от участка мембраны 11, расположенноговблизи термочувствительного элемента k, охлажда  несколько его, дополнительно нагреваетс  от тензорезистора 5 и передает часть своего избыточного тепла термоэлементу 3, В результате возникает перепад температур между термочувствительными элементами 3 и k, пропорциональный корню квадратному из скорости потока. Этот дифференциальный сигнал усиливаетс  дифференциальным усилителем 22, Далее его можно возвести в квадрат дл  .полумени  линейной зависимости вЫходного сигнала от скорости потока. При изменении скорости потока, например увеличении, некотора  часть тепла уноситс  с пограничным слоем от пластины 1, температура которо уменьшаетс . Увеличиваетс  при этом напр жение на термоэлементах 3 и 4, тем самым уменьшаетс  потенциал точки подключени  26, а соответственно, и потенциал инвертирующего входа 27, увеличиваетс  коэффициент усилени  операционного усилител  15i увеличиваетс  ток базы регулирующего транзистора 13, соответственно - нагревательный ток, т.е. ток через токовые контакты тензорезистора 5 с поперечной пьезоЭДС. Так поддерживаетс  посто нным перегрев пластины 1 над температурой среды при изменеНИИ скорости.

При изменении температуры среды измен етс  напр жение на термокомпенсаторе , измен   тем самым потенциал неинвертирующего входа 1б операционного усилител  15, что приводит к изменению величины тока базы регулирующего транзистора 13, далее нагревательного тока. Таким образом поддерживаетс  посто нным перагрев пластины 1 над температурой среды.

Контролируема  среда воздействует на тонкую мембрану 11, создава  в ней деформации, пропорциональные давлению. На потенциальных контактах 8 и 9 возникает при этом разность потенциалов, пропорциональна  указанному давлению среды

Ugj,,,--lwilAV4 -g пит

де m ) - множитель, завис щий от

кристаллографической плоскости мембраны и расположени  центра тензоэлемента на мембране; Е - разность потенциалов между

токовыми контактами; а и 1} - длина и ширина пр моугольной области, в которой происходит растекание тока;

где с - интенсивность нагрузки; h - толщина мембранй;

d - радиус;

коэффициент пьезосопротивлени .

5 Эта разность потенциалов увеличиваетс  пр мо пропорционально при увличении давлени  на мембрану 11. Сигнал ,усиливаетс  дополнительным дифференциальным усилителем 30

fO и  вл етс  функцией давлени , величины тока, протекающего через токовые контакты, т.е. напр жени  питани  тензорезистора 5 , коэффициента п.ьезосопротивлени , а также висит от конструктивных параметров мембраны 11 и тензорезистора 5. При увеличении температуры среды коэффициент пьезосопротивлени  уменьшаетс .

20 Одновременно схема управлени  перегревом чипа 1, включающа  термокомпенсатор 17, операционный усилитель 15 и регулирующий транзистор 13, увеличивает напр жение питaн  

25 тензорезистора, обеспечива  посто нный перегрев пластины 1 над температурой среды.

Таким образом, одновременно с уменьшением коэффициента пьезосопротивлени  при увеличении температуры среды происходит увеличение напр жени  питани  тензорезистора 5 (или нагревательного тока).

Известно, что температурна  ха рактеристика коэффициента пьезосопротивлени  измен етс  в широких пределах в зависимости от концентрации легирующей примеси пьезорезистора 5 и возможен выбор такого удельного сопротивлени  тензорезистора 5, а значит и концентрации легирующей примеси, при которой будет автоматически выполн тьс  компенсаци  уменьшени  коэффициента пьезочувстЁ1ительности повышением напр жени  питани  при увеличении температуры среды.

При уменьшении температуры среды , схема работает аналогично: увелимиваетс  коэффициент пьезосопро .тивлени  - уменьшает;с  пропорционально напр жение питани  E.. При изменении скорости потока (как уже ()ыло показано) дл  обеспечени  посто нного перегрева измен етс  величина нагревательного тока.

Изменение величины сигнала по скорости потока среды на выходе 33

диференциального усилител  22 влечет за собой изменение входного сигнала на Затворе полевого транзистора 32 что приводит к измерению сопротивлени  сток - исток полевого транзистора и, следовательно„ изменению коэффициента усилени  дополнительного дифференциального усилител  30. ; Таким образом, помимо точного из .мерени  скорости потока среды и расхода при известном сечении измерительного участка при испол|;зовании предлагаемого устройства возможно получение дополнительной информации о давлении, котора  не зависит от изменени  температуры среды. Также исключаетс  вли ние измер емой скорости потока среды на выходнрй сигнйп; по давлению за счет изменени  нагре вательного тока при поддержании посто нным перегрева пластины 1. над температурой среды. ..

Claims (1)

1. 2. Приборы и элементы автоматики и вычислительной техники. Экспрессинформация. И,, 1977, № 19, с. 5“8. .(54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕ-. НИЯ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ·;· содержащее полупроводниковую пластину, на одной стороне которой сформированы регулирующий транзистор, нагреватель и два термочувствительных элемента, расположенных по обе стороны от него и включенных в смежные плечи моста измерительной схемы, ббщая точка которых подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с компенсационным термочувствительным элементом, рас положенным вне зоны нагрева, а Выход¹ подключен к базе регулирующего транзистора, эмиттер и ¹ коллектор.которого подключены к источнику питания, измерительная диагональ моста соединена со входами первого дифференциального усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей устройства, нагреватель -выполнен в виде тензорезистора с поперечной пье· зоЭДС, на другой стороне полупроводниковой пластины сформирована мембрана, а в измерительную схему введен второй дифференциальный усили- е тель, при этом коллектор регулирующего транзистора соединен с одним из токовых контактов тензорезистора, другой токовый контакт которо- го подключен.непосредственно к источнику питания, а потенциальные контакты тензорезистора подключены к входам второго дифференциального усилителя..

   2. Устройство по π. 1, о т л и чающееся тем, что, с целью повышения точности измерения давления среды, в цепь обратной связи вто· рого дифференциального усилителя включен полевой транзистор, затвор кото-’ рого соединен с выходом первого дифференциального усилителя.