RU2343589C1

RU2343589C1 - Device for pressure measurement

Info

Publication number: RU2343589C1
Application number: RU2007128640/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Валентинович Озаренко (RU); Александр Валентинович Озаренко; Юрий Анатольевич Брусенцов (RU); Юрий Анатольевич Брусенцов; Александр Иванович Фесенко (RU); Александр Иванович Фесенко; Андрей Павлович Королёв (RU); Андрей Павлович Королёв
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2009-01-10

Abstract

FIELD: physics, measurements.

SUBSTANCE: strain transducer incorporates resistance strains gages controlled by potentials across isolated electrodes connected in the in the bridge-type strain measuring circuit. Aforesaid strain transducer has its measuring diagonal connected to amplifier inputs, selectable peak detector, memory capacitor and to controlled frequency generator with inputs being connected to delay unit and amplitude and pulse length stabiliser with its input, in its turn, being connected to bridge supply diagonal and connected in series to the frequency-to-voltage converter input. The said converter output is connected to strain transducer control electrodes. The delay unit output is connected to control input of the aforesaid selectable peak detector, while the controlled frequency generator output is connected with an output of the proposed device.

EFFECT: increase in accuracy of measurements via connection into measuring bridge-type circuit of controlled resistance strain gages and negative servo feedback circuit connected to aforesaid strain transducer to allow automatic control over measuring system.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления.The present invention relates to measuring technique and can be used to measure pressure.

Известен полупроводниковый тензопреобразователь, содержащий измерительную мостовую тензосхему с планарными тензорезисторами на поверхности упругого элемента. Между тензорезисторами напылены перемычки, разрывом которых при питании тензосхемы от генератора тока обеспечивается настройка чувствительности тензопреобразователя к заданному значению [а.с. СССР № 691682, кл. G01В 7/18, авторов Пивоненкова Б.И., Архаровой Л.Г., Маркина С.Н., опубл. 15.10.79, бюл. № 38]. Такое решение позволяет снизить разброс значений чувствительности различных образцов тензопреобразователей и тем самым повысить точность измерений тензопреобразователями с унифицированной градуировочной характеристикой, т.е. тензопреобразователями, которым присвоена единая градуировочная характеристика.Known semiconductor strain transducer containing a measuring bridge strain diagram with planar strain gages on the surface of the elastic element. Jumpers are sprayed between the strain gauges, rupture of which, when the strain gauge is powered by the current generator, sets the sensitivity of the strain gauge to the specified value [a.s. USSR No. 691682, class G01B 7/18, authors Pivonenkova B.I., Arkharova L.G., Markina S.N., publ. 10/15/79, bull. No. 38]. This solution allows us to reduce the scatter of the sensitivity values of various samples of strain gauges and thereby increase the accuracy of measurements with strain gauges with a unified calibration characteristic, i.e. strain gauges, which are assigned a single calibration characteristic.

Недостатком такого тензопреобразователя является сложность настройки чувствительности тензопреобразователя из-за невозможности размещения в тензорезисторах перемычек, обеспечивающих малое изменение чувствительности (менее 1%).The disadvantage of such a strain gauge is the difficulty of adjusting the sensitivity of the strain gauge due to the impossibility of placing jumpers in the strain gages that provide a small change in sensitivity (less than 1%).

Известен другой полупроводниковый тензопреобразователь, содержащий измерительную мостовую тензосхему, сформированную на сапфировой подложке из гетероэпитаксиального слоя монокристаллического кремния с концентрацией дырок (3,5…9)∙10¹⁹ см^-3, причем тензосхема включает в свои плечи тензочувствительные и подстроечные резисторы с перемычками для настройки разбаланса моста. При определенной концентрации дырок в кремнии из указанного интервала и питании тензосхемы от генератора тока чувствительность тензопреобразователя сохраняет практически постоянное значение в интервале изменения температуры от -50 до +200°С [а. с.СССР № 934257, кл. G01L 9/04, авторов Белоглазова А.В., Бейдена В.Е., Иордана Г.Г., Карнеева В.М., Папкова B.C., Стучебникова В.М., Хасикова В.В., Суровикова M.B., опубл. 07.06.82, бюл. № 21]. Перемычки в подстроечных резисторах обеспечивают возможность настройки начального разбаланса тензосхемы к заданному (обычно нулевому) значению.Another semiconductor strain gauge is known, which contains a measuring bridge strain gauge formed on a sapphire substrate from a heteroepitaxial layer of monocrystalline silicon with a hole concentration of (3.5 ... 9) ∙ 10 ¹⁹ cm ^-3 , and the strain gauge includes strain-sensitive and tuning resistors with jumpers for adjustment unbalance bridge. At a certain concentration of holes in silicon from the specified interval and the strain gauge is fed from a current generator, the sensitivity of the strain gauge remains almost constant in the temperature range from -50 to + 200 ° C [a. S.SSSR No. 934257, cl. G01L 9/04, authors Beloglazov A.V., Beiden V.E., Jordan G.G., Karneev V.M., Papkova BC, Stucechnikova V.M., Khasikova V.V., Surovikova MB, publ. 06/07/82, bull. No. 21]. The jumpers in the tuning resistors provide the ability to adjust the initial imbalance of the strain circuit to a given (usually zero) value.

Недостатком данного тензопреобразователя является большой разброс геометрических размеров (прежде всего толщины) их упругих элементов, что исключает возможность его применения в системах автоматического управления, т.к. настройка тензопреобразователя осуществляется механическим путем.The disadvantage of this strain gauge is the wide variation in geometric dimensions (primarily thickness) of their elastic elements, which excludes the possibility of its use in automatic control systems, because strain gauge adjustment is carried out mechanically.

Прототипом предлагаемого изобретения является полупроводниковый тензопреобразователь, содержащий измерительную мостовую тензосхему, к диагонали питания которой подключен шунтирующий резистор [Патент РФ № 2284074, кл. H01L 29/84, автора Суханова В.И., опубл. 20.09.06]. Плечи мостовой тензосхемы и шунтирующий резистор содержат перемычки, разрывом которых обеспечивается настройка начального сигнала и диапазона изменения выходного сигнала тензопреобразователя. Все элементы тензосхемы сформированы методами фотолитографии на сапфировой подложке из гетероэпитаксиального слоя монокристаллического кремния с концентрацией дырок 3,5…9)∙10¹⁹ см^-3.The prototype of the invention is a semiconductor strain gauge containing a measuring bridge strain diagram, to the diagonal of the power of which a shunt resistor is connected [RF Patent No. 2284074, cl. H01L 29/84, author Sukhanov V.I., publ. 09/20/06]. The shoulders of the bridge strain diagram and the shunt resistor contain jumpers, the break of which provides the initial signal and the range of the output signal of the strain gauge. All elements of the strain gauge are formed by photolithography methods on a sapphire substrate from a heteroepitaxial layer of single-crystal silicon with a hole concentration of 3.5 ... 9) ∙ 10 ¹⁹ cm ^-3 .

Недостатком прототипа является низкая точность измерений из-за отсутствия в измерительной мостовой схеме управляемых тензорезисторов и следящей отрицательной обратной связи на тензопреобразователь, кроме того, подобная конструкция не может обеспечить точной настройки тензопреобразователя, так как перемычки, разрывом которых обеспечивается настройка начального сигнала и диапазона изменения выходного сигнала тензопреобразователя, имеют дискретные значения сопротивлений.The disadvantage of the prototype is the low accuracy of the measurements due to the lack of controlled strain gages in the measuring bridge circuit and tracking negative feedback on the strain gauge, in addition, such a design can not provide accurate tuning of the strain gauge, since the jumpers, the break of which ensures the initial signal and the output range strain gauge signal, have discrete resistance values.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений путем введения в измерительную мостовую схему управляемых тензорезисторов и следящей отрицательной обратной связи на тензопреобразователь, которая обеспечивает автоматическое управление измерительной системой.The technical task of the invention is to increase the accuracy of measurements by introducing controlled strain gauges into the measuring bridge circuit and tracking negative feedback to the strain gauge, which provides automatic control of the measuring system.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для измерения давления.Figure 1 presents the structural diagram of a device for measuring pressure.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Тензопреобразователь содержит тензорезисторы 1, 2, 3, 4, управляемые потенциалами на изолированных электродах, которые включены в измерительную мостовую тензосхему 5, к измерительной диагонали тензопреобразователя последовательно подключены входы усилителя 6, селектируемый пиковый детектор 7, запоминающий конденсатор 8, генератор управляемой частоты 9, к выходу которого подключены блок задержки 10, стандартизатор амплитуды и длительности импульсов 11, подключенный своим выходом к диагонали питания моста 5 и соединенный с входом преобразователя частоты в напряжение 12, выход которого связан с управляющими электродами тензорезисторов 2 и 4, при этом выход блока задержки 10 соединен с входом управления селектируемого пикового детектора 7, а выход генератора управляемой частоты 9 связан с выходом устройства F_вых.The essence of the invention is as follows. The strain gauge contains strain gauges 1, 2, 3, 4, controlled by potentials on isolated electrodes, which are included in the measuring bridge strain diagram 5, the inputs of the amplifier 6, selectable peak detector 7, a storage capacitor 8, a controlled frequency generator 9, are connected to the measuring diagonal of the strain gauge 5 the output of which is connected to a delay unit 10, a standardizer for the amplitude and duration of pulses 11, connected by its output to the diagonal of the power supply of bridge 5 and connected to the input of the converter frequency amplifier to voltage 12, the output of which is connected to the control electrodes of the strain gauges 2 and 4, while the output of the delay unit 10 is connected to the control input of the selectable peak detector 7, and the output of the controlled frequency generator 9 is connected to the output of the device F _o .

На фиг.2 представлена структура управляемых тензорезисторов 1, 2, 3, 4 (фиг.1). Тензорезисторы выполняются по стандартной планарной технологии на кремниевой подложке 13 n-типа проводимости, легированной фосфором. В качестве диэлектрика используется оксид кремния SiO₂ 14, электроды 15 выполнены напылением в вакууме алюминия.Figure 2 presents the structure of the controlled strain gauges 1, 2, 3, 4 (figure 1). Strain gages are performed according to standard planar technology on a silicon substrate 13 of n-type conductivity doped with phosphorus. Silicon oxide SiO ₂ 14 is used as a dielectric; electrodes 15 are made by vacuum deposition of aluminum.

На фиг.3 представлен топологический чертеж мостовой тензосхемы и конструкция полупроводникового тензопреобразователя, где:Figure 3 presents the topological drawing of the bridge strain diagram and the design of the semiconductor strain gauge, where:

1, 2, 3, 4 - тензорезисторы, управляемые потенциалами на изолированных электродах;1, 2, 3, 4 - strain gauges controlled by potentials on insulated electrodes;

5 - мостовая тензосхема;5 - bridge tensogram;

16 - электрические контакты тензосхемы;16 - electrical contacts tensogram;

17 - сапфировая подложка;17 - sapphire substrate;

18 - металлический корпус.18 - metal case.

При изготовлении тензосхемы в едином технологическом процессе кристаллографическая ориентация кремниевой подложки тензорезисторов выбирается таким образом, чтобы при воздействии измеряемой величины (давления) тензорезисторы 1, 3 увеличивали сопротивление, а 2, 4 уменьшали.In the manufacture of a strain gauge in a single technological process, the crystallographic orientation of the silicon substrate of the strain gages is selected so that when the measured value (pressure) is applied, the resistance gages 1, 3 increase the resistance, and 2, 4 decrease it.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При отсутствии воздействия измеряемой величины сопротивления тензорезисторов 1, 2, 3, 4 имеют значения, при которых мост 5 сбалансирован, при этом на входах усилителя 6 разность потенциалов практически равна нулю. При воздействии измеряемой величины изменяются сопротивления тензорезисторов и мост становится разбалансированным. Напряжение разбаланса моста поступает на вход усилителя 6. Пиковый детектор 7 преобразует усиленное импульсное напряжение в постоянное, равное амплитуде импульса, которое запоминается конденсатором 8. Постоянное напряжение с конденсатора 8 управляет частотой генератора импульсов 9. Выходные импульсы этого генератора формируются по длительности и амплитуде с помощью стандартизатора амплитуды и длительности 11, которые поступают на преобразователь частоты в напряжение 12, выход которого соединен с затворами управляемых тензорезисторов 2, 4, а также питает мостовую тензосхему 5. Усилитель 6, селектируемый пиковый детектор 7, конденсатор 8, генератор управляемой частоты 9 охвачены петлей обратной связи.In the absence of the influence of the measured resistance value of the strain gages 1, 2, 3, 4, they have values at which the bridge 5 is balanced, while at the inputs of the amplifier 6, the potential difference is almost zero. When the measured value is affected, the resistance of the strain gages changes and the bridge becomes unbalanced. The unbalance voltage of the bridge is fed to the input of the amplifier 6. The peak detector 7 converts the amplified pulse voltage to a constant equal to the amplitude of the pulse, which is stored by the capacitor 8. The constant voltage from the capacitor 8 controls the frequency of the pulse generator 9. The output pulses of this generator are formed by the duration and amplitude using the standardizer of the amplitude and duration 11, which are supplied to the frequency converter into voltage 12, the output of which is connected to the gates of the controlled strain gages 2, 4, and also feeds the bridge strain diagram 5. Amplifier 6, selectable peak detector 7, capacitor 8, controlled frequency generator 9 are covered by a feedback loop.

При необходимости коррекции выходного сигнала тензомоста, в случае изменения температуры, целесообразно напряжение U_пит снимать с делителя напряжения, содержащего терморезистор-ы, т.е. U_пит(T), где Т - температура.If it is necessary to correct the output signal of the strain gage, in the event of a temperature change, it is advisable to remove the voltage U _pit from the voltage divider containing the thermistors, i.e. U _pit (T), where T is the temperature.

Предложенный преобразователь представляет собой следящую систему автоматического управления.The proposed Converter is a tracking system of automatic control.

Таким образом, введение отрицательной обратной связи в схему измерения и применение тензопреобразователя с управляемыми тензорезисторами 1, 2, 3, 4 позволяет значительно повысить точность измерений давления по сравнению с прототипом.Thus, the introduction of negative feedback in the measurement circuit and the use of a strain gauge with controlled strain gauges 1, 2, 3, 4 can significantly improve the accuracy of pressure measurements compared to the prototype.

Claims

A device for measuring pressure containing a measuring bridge strain diagram, characterized in that the strain gauges included in the bridge circuit are controllable potentials on isolated electrodes, and an amplifier input, a selectable peak detector, a storage capacitor, a controlled frequency generator, and a device are connected to the measuring diagonal of the bridge also contains a standardizer for the amplitude and duration of pulses, a frequency to voltage converter, and the input of the selectable peak detector the torus is connected to the output of the amplifier, and the output of the frequency converter to voltage is connected to the isolated control electrodes of the strain gages, the output of the amplitude and pulse duration standardizer is connected to the diagonal of the bridge power supply, while the output of the controlled frequency generator through the delay unit is connected to the control input of the selectable peak detector and connected to device output.