Деформационные манометры

  Следует отметить, что все проволочные  тензорезисторы имеют относительно низкие выходные сигналы (по сравнению с индуктивными и емкостными преобразователями).

   Одним из существенных недостатков проволочных  тензорезисторов является небольшая  теплоотдача материала проволоки, так как площадь теплоотдачи  составляет половину цилиндрической поверхности  проволоки. Поэтому возможности миниатюризации ограничиваются допускаемым уменьшением диаметра проволоки, который обычно составляет не менее 20—30 мкм. Гораздо большие возможности предоставляет техника изготовления тензорезисторов из металлической фольги, которая к настоящему времени достаточно хорошо испытана и отработана. Типичная конструкция фольгового тензорезистора (рис. 43, а)состоит из тонкой

Рис. 3. Фольговый тензорезистор

металлической фольги 1, выполненной в виде петлеобразной решетки, которая специальным клеем закреплена на подложке 2 из изоляционного материала. К расширенным концам решетки припаиваются проволоч-

ные токосъемники 3, а сверху на решетку наносится изоляционное покрытие 4 для защиты от воздействия окружающей среды. Сопротивление резистора определяется базой /, числом последовательно соединенных полосок фольги и их поперечным сечением. В качестве материала фольги обычно применяют константан, подложки — бакелитовую или эпоксидную смолу. Для изготовления фольговых тензорезисторов и их закрепления на поверхности УЧЭ используются в зависимости от условий работы (температуры, влажности, агрессивности среды) различные клеящие составы, затвердевающие в горячем состоянии.

   Толщина h фольги обычно составляет 3—10 мкм, а ширина Ъ = 0,1 мм и более. Поэтому по сравнению с проволочными тензорезисторами во много раз увеличивается теплоотдача, а, следовательно, уменьшается нагрев тензорезистора при прочих равных условиях. Коэффициент тензо-чувствительности составляет к —2,1—2,3 (для константана). Размеры тензорезисторов могут быть доведены до / = 2—3 мм.

  Тензорезисторы  закрепляются непосредственно на поверхности  УЧЭ или на упругую балочку, связанную  с УЧЭ жестким стержнем, и включаются в мостовую схему. Манометры, основанные на указанном принципе, позволяют измерять давление с высокой точностью. Так, цифровой манометр „Diptron 2" фирмы „Wallance & Tiernan" (ФРГ) предназначен для измерения давления с погрешностью 0,05 %. Манометр (рис. 43, б) содержит сильфон 1, преобразующий измеряемое давление р в усилие, которое с помощью стержня 2изгибает упругую балку 4. Пропорциональная давлению деформация воспринимается тензорезисторами 3,включенными в мостовую схему, причем два резистора работают на растяжение, а два других — на сжатие. Усилителем 1 (рис. 43, в) выходной сигнал усиливается и после преобразований поступает на цифровое табло указателя 2. Одновременно происходит преобразование в аналоговый и кодовый выходные сигналы.

   Узлы  измерительного механизма, усилителя, блока питания и показывающего устройства помещены в общий корпус. Габаритные размеры 120X150X230 мм, масса 4 кг. Манометр изготовляется на диапазоны измерений от 0—0,1 бар (0 — 10 кПа) до 0—25 бар (0 — 2,5 МПа) и предназначен для измерения избыточного давления и разрежения. Погрешность измерений, включая нелинейность и гистерезис, 0,05 % верхнего предела измерений. Влияние изменений температуры в диапазоне 10—40° С не превышает ±0,005 % на 1°С.

   Несмотря  на ряд очевидных достоинств (высокая  точность, хорошая долговременная стабильность, высокая собственная частота, применимость для изготовления небольших серий) фольговые тензорезисторы имеют также и недостатки: относительную дороговизну в связи с жесткими допусками на изготовление; невысокую тензочувствительность, свойственную всем металлическим тензорезисторам (к — 2), что требует соответствующего усиления; ограниченные диапазон температур и возможности миниатюризации.

   Тонкопленочные тензорезисторы. Дальнейшие возможности развития тензорезистивных манометров предоставила тонкопленочная техни-

ка, получившая в последнее время  распространение в различных  областях микроэлектроники, в которой в отличие от фольговой техники перед нанесением на подложку проводящего материала тензорезисгоров на поверхность УЧЭ наносится изоляционный слой толщиной в несколько мкм, затем низкоомные проводники монтажной схемы и в последнюю очередь сам тензорезистор. При этом применяются методы напыления в вакууме, плазменной активации паров требуемых химических веществ и пр., которые позволяют наносить не только металлические пленки, но и поликристаллические материалы с повышенным коэффициентом тензочувствительности {к — 30—50). Все это позволяет существенно уменьшить размеры УЧЭ при одновременном уменьшении диапазона измерений. Однако сложность технологии изготовления требует значительных затрат на оборудование. Поэтому изготовление тонкопленочных тензорезисторов рентабельно только при условии их массового производства.       -

   В отличие от металлических тензорезисторов, сопротивление которых изменяется вследствие деформации поперечного сечения, в полупроводниковых тензорезисторах чувствительным к натяжению является удельное сопротивление, которое занимает очень широкий диапазон значений. Если удельное сопротивление проводников находится в диапазонах от 10~5 
до’10"8 Ом.м, а диэлектриков от 1010 до 1016 
Ом.м, то диапазон удельных сопротивлений полупроводников простирается от 10"s до 104, т. е. охватывает почти 10 порядков. Помимо этого сопротивление полупроводников существенно зависит от содержания в них примесей, подбором которых можно изменять сопротивление в нужном направлении. Примеси, которые создают в полупроводнике свободные электроны, называют донорными, а сам полупроводник называют п-типа

(от  „негатив" — отрицательный). Примеси, которые захватывают валентный электрон и при этом у одного из атомов полупроводника возникает „дырка", называют акцепторными (принимающими), а проводимость проводника р-типа (от „позитив" — положительный). Количество свободных носителей зарядов (электронов и дырок) определяет проводимость, а, следовательно, и удельное сопротивление полупроводника. При этом чувствительность удельного сопротивления полупроводникового тензо-резистора к его деформации существенно выше, чем изменение сопротивления под влиянием изменения поперечного сечения. Поэтому коэффициент тензочувствительности (4.14) полупроводникового тензорезис-тора практически равен к = т.Если для металлических тензорезисторов коэффициент тензочувствительности к = 2, то коэффициент тензочувствительности кремния к = 125-135 при р-проводимости и к = -(100-

—130) при и-проводимости. Это позволяет  существенно упростить аппаратуру для усиления выходного сигнала,

   Конструктивное  выполнение полупроводниковых тензорезисторов  аналогично тонкопленочным тензорезисторам (рис. 43, а). Те же технологические приемы применяются и при изготовлении полупроводниковых тензорезисторов. При этом используются два основных способа:

   полупроводниковый кремниевый тензорезистор наносится  на изолирующую сапфировую подложку (КНС структура);

   полупроводниковый кремниевый тензорезистор с р-проводимостью  наносится на кремниевую подложку с n-проводимостью (КНК структура) .

   В зависимости от конструктивного  исполнения полупроводниковые тензорезистивные преобразователи применяются для измерения абсолютного и избыточного давления (разряжения) и разности давлений.

   В нашей стране серийно изготовляются  полупроводниковые преобразователи типа „Сапфир-22", основанные на КНС структуре.

  Схема преобразователя „Сапфир-22ДИ", предназначенного для измерения избыточного давления, представлена на рис. 4. Мембранный полу-

Рис. 4. Преобразователь „Сапфир-22ДИ’:  Рис. 45. Преобразователь „Сапфир-22ДА"

 
проводниковый тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9. Внутренняя полость 4тензопреобразователя заполнена кремнийоргани-ческой жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основанию 9.Измеряемое давление подается в камеру фланца 5. Между основанием 9 и фланцем 5 помещена уплотняющая прокладка 8. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой.

   Измеряемое  давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость передается на мембрану тензопреобразователя 3, вызывая ее прогиб и соответствующее изменение сопротивления тензорезисторов, соединенных в мостовую схему. Электрический сигнал по проводам через герметичный вывод 2 поступает в электронный блок 1, который содержит корректоры для плавной подстройки диапазона и нуля выходного сигнала. При измерении абсолютного давления полость 10 откачивается и герметизируется. Как при измерении избыточного давления, так и абсолютного давления в данной конструкции измеряемое давление воздействует через жидкость непосредственно на мембрану тензопреобразователя.

   Для измерения абсолютных давлений не более 250 кПа применяется преобразователь „Сапфир-22ДА" (рис. 45). В отличие от предыдущего здесь применен мембранно-рычажный тензопреобразователь 4,который размещен внутри основания 9 и отделен от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 8, а от вакуумированной полости 12 металлической мембраной 14. Обе мембраны по наружному контуру приварены к основанию 9 и соединены между собой центральным штоком 6, который связан с концом рычага 5 тензопреобразователя с помощью упругой тяги 13. Внутренние полости основания также вакууми-рованы. Фланцы 10 nil уплотнены на основании 9 прокладками 3.

   Измеряемое  абсолютное давление подается в камеру 7. При этом последовательно происходят прогиб мембран 8 и 14, изгиб мембраны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается по проводам через герметичный вывод 2 на электронный блок 1.

   Аналогичная конструкция используется для измерения  разности давлений (рис. 46). В отличие от предыдущей внутренняя полость основания 4 между мембранами 3 заполнена кремнийорганической жидкостью. Воздействие измеряемой разности давлений, большее из которых подается в камеру 2,меньшее — в камеру 5, вызывает прогиб мембран 3, изгиб мембраны тензопреобразователя 1 и изменение сопротивления тензорезисторов. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что торцевые поверхности основания 4 профилированы одинаково с поверхностями мембран 3.

   Преобразователи „Сапфир-22" имеют унифицированное электронное устройство, преобразующее электрический сигнал тензорезисторного моста в аналоговый стандартный сигнал 0—5 или 0—20 или 4—20 мА постоянного тока. Электрическое питание преобразователей осуществляется от источника питания постоянного тока напряжением (36±0,72) В. Преобразователи предназначены для работы при температуре от 5 до 50°С, по требованию заказчика возможно расширение диапазона температур от —20 до +80°С. Пределы допускаемой основной погрешности ±0,25 % и ±0,5 %, верхние пределы измерений от 0,25 кПа до 100 МПа.

   Зарубежные  полупроводниковые преобразователи  в основном используют тензорезисторы с КНК структурой. Одна из ведущих в этой области фирма „Druck Ltd" (Англия) освоила промышленный выпуск

полупроводниковых датчиков в комплекте с вторичными показывающими приборами типа DPJ 220 с цифровым отсчетом. Манометр отличается высокой точностью. Суммарная погрешность, вызываемая нелинейностью, гистерезисом и воспроизводимостью показаний, не превышает 0,1 % верхнего предела измерений. Долговременная стабильность составляет ±0,02 % за три месяца, температурный коэффициент ±0,01 % на 1°С. Диапазоны измерений: от 0—7,5 кПа до 0—50 МПа при измерении избыточного давления; от 0— 17,5кПа до 0—3,5 МПа при измерении разности давлений; от 0—35 кПа до 0—50 МПа при измерении абсолютного давления.