Устройство и классификация датчиков

Разработка и применение датчиков давления — это область, имеющая довольно долгую историю раз­вития и широкую номенклатуру датчиков, основанных на различных физических принципах: от жидкостных манометров до современных полупроводниковых дат­чиков. Решающими преимуществами последних явля­ются очень малые габариты, дешевизна (при серийном производстве) и простота эксплуатации. Эти преимущества обратили внимание целого ряда фирм на пьезорезистивные датчики. При этом почти все фирмы, производящие полупроводниковые датчики давления, предусматривают их использова­ние в традиционной схеме моста Уитстона, имеющей ряд серьезных недостатков.

♦ схема имеет 4 подбираемых резистора.

♦ принципиально необходимы подбор или подст­ройка резисторов.

♦ нужны сложные схемы температурной компенсации.

♦ устаревшая технология (наличие подборных элементов не позволяет встроить резисторы в микросхему).

♦ необходимость нескольких источников питания (отдельный источник питания для усилителя).

Все эти недостатки заставили фирму Motorola вести активный поиск альтернативного решения, ко­торый и увенчался успешной разработкой принципи­ально нового запатентованного датчика давления, имеющего торговую марку X-ducer^ТМ (Рис. 8).

Это решение имеет следующие преимущества пе­ред датчиками, выполненными в виде моста Уитстона.

♦ датчик представляет собой монолитный элемент, не требующий регулировки.

♦ улучшенные линейность и гистерезис.

♦ термокомпенсация реализуется простыми средствами.

♦ патентованная технология.

Элемент "X-ducer™", названный так из-за Х-образной формы датчика, представляет собой монолит­ный кремниевый измеритель давления, который развивает на выходе напряжение, пропорциональное приложенному давлению. Элемент имеет высокие показатели линейности, повторяемости, воспроизводи­мости, чувствительности и отношения сигнал-шум.

Классификация кремниевых датчиков "X-ducer^ТМ" приведена на Рис. 9. Первым классифика­ционным признаком является сложность или степень интеграции датчиков.

Простейшим типом датчиков являются неком­пенсированные датчики. В этих недорогих базовых датчиках в состав ИС входит только элемент X-ducer. Семейство зависимостей выходного напряжения от разницы давлений приведено на Рис. 10. При посто­янной температуре характеристика может быть выра­жена уравнением:

(1)

где:

— напряжение питания, подводимое к входным контактам датчика,

— чувствительность датчика, выражаемая в В/кПа,

U_см — напряжение смещения или просто смещение, напряжение на выходе датчика при нулевом давлении.

В диапазоне давлений от нуля до максимального измеряемого давления, являющегося основным па­раметром для данного типа датчика, характеристика изменяется в соответствии с уравнением (1). Этот диапазон давлений является рабочим диапазоном датчика. Этому диапазону соответствует определен­ный диапазон выходных напряжений, изменяющихся от напряжения смещения до максимального рабоче­го напряжения. Разницу между этими двумя

Напряжениями будем называть диапазоном выходных на­пряжений или просто диапазоном.

Kак видно из Рис. 10, чувствительность, смеще­ние и диапазон зависят от температуры. Kроме того, эти три параметра имеют и технологический разброс от образца к образцу, поэтому на Рис. 10 показаны лишь типовые характеристики. Типичное значение диапазона выходного напряжения составляет 60 мВ при максимальном измеряемом давлении. Неком­пенсированные датчики дешевле всех остальных.

Простота и низкая цена некомпенсированных датчиков приводят к тому, что на плечи потребителей ложится обеспечение целого ряда функций (Рис. 11), которые в более сложных датчиках берет на себя разработчик прибора.

Существует несколько схемотехнических способов реализации функций, показанных на Рис. 11, для не­компенсированных датчиков. Первый из них осуществ­ляется с помощью управляемого усилителя (усилителя с регулируемым коэффициентом усиления). Структур­ная и принципиальная схема такого решения приведе­на на Рис. 12. При этом в сумматоре Σ усиленный сиг­нал датчика складывается с сигналом смещения, формируемым программно с помощью калибровочных данных, записанных в перепрограммируемом запоми­нающем устройстве ППЗУ, встроенном в блок процес­сора, а температурная компенсация осуществляется за счет дискретного регулирования коэффициента усиления. Для реализации такой структуры необходим датчик температуры, сигнал которого подается на вход ADC0 микропроцессора (см. Рис. 12). Этот сигнал об­рабатывается микропроцессором также с использова­нием информации, записанной в ППЗУ.

Второй способ осуществляет чисто программную реализацию температурной компенсации и компен­сации смещения. При этом способе используется только один дифференциальный усилитель. Сигнал с датчика температуры используется для программной корректировки усиленного сигнала датчика. При этом также используются калибровочные данные, запи­санные в ППЗУ.

Как видно из приведенных структурных и принци­пиальных схем, от пользователя требуется достаточ­ный опыт как в применении согласующих операцион­ных усилителей, так и в разработке программного обеспечения для микропроцессоров.

Существенно облегчить задачу пользователя (см. Рис. 11) могут датчики с температурной компенсацией/калибровкой. Эти приборы включают, кро­ме элементов X-ducer, встроенные в кристалл тонко­пленочные резисторы и термисторы, калиброванные с помощью лазерной подгонки с тем, чтобы выдать относительно стабильный выходной сигнал при лю­бой температуре (Рис. 13). Такие параметры, как смещение при нулевом давлении и диапазон, калиб­руются при изготовлении, чтобы обеспечить незначи­тельный разброс параметров от прибора к прибору.

Характеристики для такого датчика (Рис. 14) от­личаются от характеристик некомпенсированного датчика тем, что смещение значительно меньше диа­пазона выходного напряжения. Типичное напряжение при номинальном давлении для этих приборов — 40 мВ. Датчики такого типа имеют умеренную цену.

На Рис. 15 приведена структурная и функциональ­ная схема для сопряжения такого датчика с микропро­цессорной системой. Kак видно из рисунка, эти схемы наиболее просты и требуют от потребителя разработ­ки лишь дифференциального усилителя сигнала.

Высокоомные датчики с температурной ком­пенсацией и калибровкой включают кроме элемен­та X-ducer встроенные в кристалл тонкопленочные резисторы и термисторы, калиброванные с помощью лазерной подгонки, способные сформировать температурно-независимый выходной сигнал при высоком входном сопротивлении.

Смещение при нулевом давлении и диапазон ка­либруются с тем, чтобы обеспечить незначительный разброс между образцами. Типичное напряжение при номинальном давлении для этих приборов со­ставляет 40 мВ. Стоимость этих датчиков также уме­рена. Они могут также включаться по схемам, приве­денным на Рис. 15.

"Верхом искусства" среди датчиков давления фирмы Motorola являются датчики со стандартным выходным сигналом, в еще большей степени облег­чающие задачи пользователя (Рис. 16). Эти датчики содержат кроме элементов X-ducer и встроенных в кристалл элементов температурной компенсации и калибровки, схему усилителя для увеличения выход­ного сигнала до стандартной величины в 4.5 В при но­минальном давлении. Характеристики этих датчиков, представленные на Рис. 16 подобны характеристи­кам компенсированных датчиков, за исключением то­го, что диапазон выходного напряжения составляет уже не десятки милливольт, а величину примерно в 4 В, что позволяет подключить их непосредственно на вход АЦП микроконтроллера без всякого усилителя.

Эти датчики конечно несколько дороже компен­сированных, но они требуют минимальных усилий от пользователя и в наибольшей степени приближаются к идеальным датчикам. Структурные схемы для вклю­чения таких датчиков (Рис. 17) чрезвычайно просты.

Вторым классификационным признаком (см. Рис. 9) является тип измеряемого датчиком давле­ния. Датчик всегда измеряет разницу между двумя давлениями, при этом по крайней мере одно давле­ние должно быть подведено с помощью трубопрово­да. Оно подается обычно с внешней стороны диафрагмы (давление Р1 на Рис. 13, 14, 15). В за­висимости от давления с внутренней стороны диа­фрагмы и различаются типы датчиков по данному классификационному признаку.

Дифференциальные датчики давления (Рис. 18) используются тогда, когда необходимо измерить разницу между двумя точками приложения давления. Типичным применением дифференциального дат­чика является измерение падения давления воздуха в воздушной трубке фильтра. Если подсоединить два входа датчика, подведенных к обеим сторонам диа­фрагмы фильтра, то измеряемое давление будет рав­но падению давления на фильтре. Если фильтр чист, то это давление будет близко к нулю. При загрязне­нии фильтра датчик покажет некоторую разницу, и это будет означать, что фильтр пора менять. Относи­тельный датчик (Рис. 19) — это тот же дифференци­альный датчик, одной стороной открытый в атмосферу. Примером такого датчика является меди­цинский измеритель давления крови.

В абсолютном датчике давления доступна толь­ко одна сторона (Рис. 20). На второй стороне позади диафрагмы внутри кристалла имеется откачанный вакуумный промежуток, давление в котором и явля­ется опорным. Абсолютные датчики давления ис­пользуются в барометрах, высотомерах, измерителях давления в трубах, на метеостанциях и воздушных шарах для метеоисследований.