RU2084846C1

RU2084846C1 - Semiconductor pressure converter with thermal compensation circuit

Info

Publication number: RU2084846C1
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Цивинский; Андрей Николаевич Одинцов
Original assignee: Александр Викторович Цивинский; Андрей Николаевич Одинцов
Priority date: 1992-05-14
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1997-07-20

Abstract

FIELD: measurement technology, measurement of pressure under conditions of exposure to nonstationary ambient temperature. SUBSTANCE: proposed semiconductor pressure converter has tensobridge, thermal compensation circuit based on transistor and two thin-film resistors, current-limiting and thin-film resistors and two trimming resistors. EFFECT: high accuracy of measurement, total interchangeability of pressure converters of simple and reliable make on base of integrated and thin-film technology. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. The invention relates to measuring equipment, in particular to pressure transducers intended for use in various fields of science and technology related to measuring pressure under the influence of unsteady temperature of the measured medium.

Известна схема температурной компенсации для компонентов преобразователя давления [1] состоящая из четырех основных частей: источника тока, формирующего выходной сигнал, пропорциональный температуре преобразователя, источника постоянного напряжения, делителя Нортона (резистивно-диодная цепочка) и операционного усилителя. Данное техническое решение позволяет снизить влияние температуры на точность результатов измерения давления за счет компенсационной схемы, выходное напряжение которой близко соответствует обратной температурной зависимости преобразователя. A known temperature compensation circuit for the components of a pressure transducer [1] consists of four main parts: a current source generating an output signal proportional to the temperature of the transducer, a constant voltage source, a Norton divider (resistive-diode circuit) and an operational amplifier. This technical solution allows to reduce the influence of temperature on the accuracy of the pressure measurement results due to the compensation circuit, the output voltage of which closely corresponds to the inverse temperature dependence of the converter.

Недостатком данного технического решения является необходимость сложной настройки схемы для приемлемой температурной компенсации и дополнительная перенастройка при замене преобразователя давления, сложность схемы и высокая стоимость, низкая надежность и большие габаритные размеры. The disadvantage of this technical solution is the need for complex configuration of the circuit for acceptable temperature compensation and additional reconfiguration when replacing the pressure transducer, the complexity of the circuit and high cost, low reliability and large overall dimensions.

Известна схема компенсации температурной зависимости чувствительности и нуля тензорезистивного датчика давления, в котором датчик давления термически связан с температурным зондом. Последовательно с температурным зондом соединен вспомогательный усилитель, к выходу которого подключена диагональ питания моста датчика давления. К выходной диагонали моста подключен выходной усилитель, на вход которого через резистивную схему подается зависящее от температуры корректирующее напряжение. A known compensation scheme for the temperature dependence of the sensitivity and zero of a strain gauge pressure sensor, in which the pressure sensor is thermally connected to a temperature probe. An auxiliary amplifier is connected in series with the temperature probe, the output of which is connected to the diagonal of the power supply of the pressure sensor bridge. An output amplifier is connected to the output diagonal of the bridge, the input of which is supplied with a temperature-dependent correction voltage.

Недостатком данного технического решения является его сложность, необходимость настройки для приемлемой температурной компенсации и необходимость перенастройки при замене преобразователя давления, трудоемкость изготовления, высокая стоимость и большие габаритные размеры. The disadvantage of this technical solution is its complexity, the need for settings for acceptable temperature compensation and the need for reconfiguration when replacing a pressure transducer, the complexity of manufacturing, high cost and large overall dimensions.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является полупроводниковый датчик давления, содержащий схему температурной компенсации и новую схему нагрева, принятый за прототип и состоящий из полости с одной тонкостенной диафрагмой, в которой методами диффузии сформированы четыре тензорезистора, соединенные в мост Уитстона, регулятора напряжения на зенеровском диоде и соединенного с мостом, двух операционных усилителей, подключенных к выходу моста, схемы температурной компенсации моста и регулятора температурного диапазона, содержащего транзистор, сформированный в тонкостенной диафрагме, термически хорошо соединенного с мостом и импульсивного источника, с помощью которого можно быстро нагреть тонкостенную диафрагму. The closest in technical essence and the achieved result is a semiconductor pressure sensor containing a temperature compensation circuit and a new heating circuit, adopted as a prototype and consisting of a cavity with one thin-walled diaphragm, in which four strain gages are connected by means of diffusion connected to the Wheatstone bridge, the voltage regulator zener diode and connected to the bridge, two operational amplifiers connected to the output of the bridge, a bridge temperature compensation circuit and a temperature controller range, containing a transistor formed in a thin-walled diaphragm thermally well connected to the bridge and an impulsive source, with which you can quickly heat the thin-walled diaphragm.

Весь датчик давления, за исключением двух операционных усилителей, изготовлен на одном полупроводниковом кристалле способами интегральной технологии. The entire pressure sensor, with the exception of two operational amplifiers, is fabricated on a single semiconductor chip using integrated technology methods.

Недостатком данного технического решения является невысокая точность измерения давления в широком диапазоне температур из-за зависимости самой схемы термокомпенсации от температуры (диффузные резисторы зависят от температуры). Поэтому введена схема нагрева и регулятор напряжения на зенеровском диоде. Кроме того, к недостаткам следует отнести необходимость перестройки температурного диапазона, начальный выходной сигнал не равен нулю, сложность изготовления, высокая стоимость и большие габаритные размеры. The disadvantage of this technical solution is the low accuracy of pressure measurement over a wide temperature range due to the temperature compensation circuit itself depending on temperature (diffuse resistors depend on temperature). Therefore, a heating circuit and a voltage regulator on the Zener diode are introduced. In addition, the disadvantages include the need to adjust the temperature range, the initial output signal is not equal to zero, the complexity of manufacturing, high cost and large overall dimensions.

Целью предлагаемого технического решения является создание полупроводникового преобразователя давления со схемой термокомпенсации, обладающего высокой точностью измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры окружающей среды при обеспечении полной взаимозаменяемости датчиков давления, изготовленных на основе предлагаемых преобразователей давления, без настройки контрольной и измерительной аппаратуры. The aim of the proposed technical solution is to create a semiconductor pressure transducer with a temperature compensation circuit, which has high accuracy of pressure measurement under the influence of unsteady ambient temperature while ensuring complete interchangeability of pressure sensors made on the basis of the proposed pressure transducers without setting up control and measuring equipment.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковый преобразователь давления, содержащий полость с одной тонкостенной диафрагмой, в которой сформированы четыре тензорезистора, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения давления введена схема термокомпенсации на транзисторе и двух тонкопленочных резисторах из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, размещенная вне диафрагмы и включенная в цепь питания измерительного моста и дополнительно введены: токоограничивающий и нормирующий тонкопленочный резистор из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления и расположенный в противоположной стороне, вне диафрагмы, и включенный в цепь питания, и два балансировочных тонкопленочных резистора из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, подключенных к эмиттеру транзистора и связанных вторыми выводами с двумя тензорезисторами измерительного моста, причем выходом преобразователя давления является диагональ моста. This goal is achieved in that in a semiconductor pressure transducer containing a cavity with one thin-walled diaphragm in which four strain gages are formed, characterized in that in order to improve the accuracy of pressure measurement, a thermal compensation circuit is introduced on the transistor and two thin-film resistors made of a material with a low temperature coefficient of resistance located outside the diaphragm and included in the power supply circuit of the measuring bridge and additionally introduced: current-limiting and normalizing thin-plate a baffle resistor made of a material with a low temperature coefficient of resistance and located on the opposite side, outside the diaphragm, and included in the power circuit, and two balancing thin-film resistors of a material with a low temperature coefficient of resistance, connected to the emitter of the transistor and connected by the second terminals with two strain gages and the output of the pressure transducer is the diagonal of the bridge.

Изготовление преобразователя давления производится известными методами интегральной и тонкопленочной технологии. The manufacture of the pressure transducer is carried out by well-known methods of integrated and thin-film technology.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что резисторы схемы термокомпенсации изготовлены из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, и в том, что введен токоограничивающий и нормирующий тонкопленочный резистор, и два балансировочных резистора из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, что позволило изменить свойство известного технического решения и обеспечить поставленную цель: увеличить точность измерения давления при воздействии нестационарной температуры окружающей среды за счет снижения температурной зависимости самой схемы термокомпенсации и ограничением изменения тока при изменении температуры за счет введения тонкопленочного резистора с одновременным нормированием выходного сигнала с помощью еще двух тонкопленочных резисторов, настройкой начального разбаланса моста в ноль. The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the resistors of the thermal compensation circuit are made of a material with a low temperature coefficient of resistance, and that a current-limiting and normalizing thin-film resistor is introduced, and two balancing resistors from a material with a low temperature coefficient of resistance, which made it possible to change the property of the known technical solutions and ensure the goal: to increase the accuracy of pressure measurement when exposed to unsteady ambient temperature environment by reducing the temperature dependence of the temperature compensation scheme itself and limiting the current change with changes in temperature due to the introduction of the thin film resistor with a simultaneous normalization of the output signal via two more thin-film resistors, setting the initial imbalance of the bridge to zero.

На фиг.1 представлена электрическая схема полупроводникового преобразователя давления. Figure 1 presents the electrical circuit of a semiconductor pressure transducer.

Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий полость с одной тонкостенной диафрагмой, в которой сформированы четыре тензорезистора R2,R3, R4, R5, введена схема термокомпенсации, размещенная вне диафрагмы, на транзисторе VT1,(например n-p-n структуры) и двух тонкопленочных резисторах R8, R9 из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, включенная в цепь питания измерительного моста, а также дополнительно введены токоограничивающий и нормирующий тонкопленочный резистор R1, из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления и расположенный в противоположной от транзистора стороне вне диафрагмы, что ликвидирует температурный градиент по диафрагме, и включенный в цепь питания, и два балансировочных резистора R6,R7 из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, подключенных к эмиттеру транзистора и связанных вторыми с двумя тензорезисторами измерительного моста, причем выходом преобразователя давления является диагональ моста. A semiconductor pressure transducer containing a cavity with one thin-walled diaphragm, in which four strain gages R2, R3, R4, R5 are formed, a temperature compensation circuit is introduced, located outside the diaphragm, on the transistor VT1 (for example, npn structure) and two thin-film resistors R8, R9 made of material with a small temperature coefficient of resistance, included in the power supply circuit of the measuring bridge, and also introduced a current-limiting and normalizing thin-film resistor R1, from a material with a small temperature coefficient ohm of resistance and located on the opposite side from the transistor outside the diaphragm, which eliminates the temperature gradient along the diaphragm, and is included in the power circuit, and two balancing resistors R6, R7 from a material with a low temperature coefficient of resistance, connected to the emitter of the transistor and connected by the second with two strain gages measuring bridge, and the output of the pressure transducer is the diagonal of the bridge.

Полупроводниковый преобразователь давления со схемой термокомпенсации работает следующим образом: на выход 2,4 подается питание, а с диагонали моста через выводы 1,3 снимается выходной сигнал. При отсутствии давления измерительный мост находится в равновесии и начальный выходной сигнал с помощью тонкопленочных резисторов R6,R6 устанавливается равным "о". При подаче давления происходит деформация диафрагмы, на которой расположены тензорезисторы R2, R3,R4,R5, происходит изменение их сопротивлений и на выходе измерительного моста (выводы 1,3) появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. Величина выходного сигнала нормируется с помощью резистора R1, как V _ном. при P _ном.. Для настройки разбаланса измерительного моста и нормированного выходного сигнала используется лазерная подгонка резисторов (4). При увеличении температуры происходит изменение номиналов сопротивлений тензорезисторов R2, R3, R4, R5 и снижение выходного сигнала, но увеличение температуры приводит к увеличению тока через транзистор и измерительный мост и увеличивает выходной сигнал. Увеличение роста тока через мост ограничивает резистор R1 и, следовательно, поддерживает выходной сигнал постоянным при повышении температуры.A semiconductor pressure transducer with a thermal compensation circuit operates as follows: output 2.4 is supplied with power, and the output signal is removed from the bridge diagonal through terminals 1.3. In the absence of pressure, the measuring bridge is in equilibrium and the initial output signal using thin-film resistors R6, R6 is set to "o". When pressure is applied, the diaphragm is deformed, on which strain gauges R2, R3, R4, R5 are located, their resistances change and a signal proportional to the measured pressure appears at the output of the measuring bridge (terminals 1,3). The value of the output signal is normalized using resistor R1, as V _nom. at P _nom. . To adjust the imbalance of the measuring bridge and the normalized output signal, laser fitting of resistors is used (4). With increasing temperature, the resistance values of the resistance strain gages R2, R3, R4, R5 change and the output signal decreases, but an increase in temperature leads to an increase in current through the transistor and the measuring bridge and increases the output signal. An increase in the growth of current through the bridge limits the resistor R1 and, therefore, keeps the output signal constant with increasing temperature.

При снижении температуры происходит увеличение выходного сигнала за счет изменения номиналов сопротивлений тензорезисторов моста R2,R3,R4,R5, но с уменьшением температуры ток через транзистор и измерительный мост, однако R1 ограничивает падение тока, и выходной сигнал моста остается постоянным. Кроме того, введение R1 позволяет нормировать выходной сигнал преобразователя и изготавливать датчики давления на основе таких преобразователей с нормированным выходным сигналом, что обеспечивает их полную взаимозаменяемость и исключает сложную настройку контрольной и измерительной аппаратуры. As the temperature decreases, the output signal increases due to a change in the resistance values of the bridge strain gages R2, R3, R4, R5, but with a decrease in temperature, the current through the transistor and the measuring bridge, however, R1 limits the current drop, and the bridge output signal remains constant. In addition, the introduction of R1 allows you to normalize the output signal of the transducer and to produce pressure sensors based on such transducers with a normalized output signal, which ensures their full interchangeability and eliminates the complicated setup of control and measuring equipment.

Технико-экономическое преимущество предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключается в обеспечении более высокой точности измерения в условиях воздействия нестационарных температур окружающей среды при одновременном нормировании выходного сигнала для полной взаимозаменяемости датчиков давления, изготовленных на основе настоящих преобразователей. Изготовление полупроводникового преобразователя давления методами интегральной и тонкопленочной технологии позволяет сделать его миниатюрным, надежным, дешевым и массовым изделием. The technical and economic advantage of the proposed technical solution in comparison with the prototype is to provide higher measurement accuracy under the influence of unsteady ambient temperatures while normalizing the output signal for full interchangeability of pressure sensors made on the basis of these transducers. The manufacture of a semiconductor pressure transducer by the methods of integrated and thin-film technology makes it possible to make it a miniature, reliable, cheap and mass product.

Датчики давления на основе описанного преобразователя давления найдут широкое применение в автомобильной промышленности в системах питания двигателей топливом, вакуумном оборудовании, химической и газовой промышленности, испытательных аппаратах и т.д. Pressure sensors based on the described pressure transducer will find wide application in the automotive industry in fuel supply systems for engines, vacuum equipment, chemical and gas industries, test apparatuses, etc.

Экономический эффект от использования будет значителен, но количественно его в настоящее время оценить трудно. The economic effect of the use will be significant, but it is currently difficult to quantify it.

Claims

A semiconductor pressure transducer with a thermal compensation circuit, comprising a semiconductor crystal cut out in the form of a plate, which is the wall of a cavity with a measured pressure, and a thin-walled diaphragm is made in the plate, in which four strain gauges of the measuring bridge circuit are formed, characterized in that the thermal compensation circuit is made in it In the form of a two-terminal, connected in series to the power supply circuit of the bridge circuit, the two-terminal contains a bipolar transistor, terminals emitter and collector cat They are two-terminal terminals, as well as two thin-film resistors connected by the first terminals to the base of the transistor and the second terminals respectively to its emitter and collector, and thin-film resistors are made of material with a low temperature coefficient of resistance, the two-terminal is placed on a semiconductor chip outside a thin-walled diaphragm with one its side, on the other hand, a thin-walled diaphragm diametrically opposite the bipolar outside the diaphragm on a semiconductor chip is placed in a current-limiting and normalizing thin-film resistor made of material with a low temperature coefficient of resistance connected in series to the power circuit, and two balancing thin-film resistors made of material with a low temperature coefficient of resistance and connected by the first leads to the emitter of the transistor and the second leads connected respectively, are introduced into the bridge circuit with two adjacent bridge strain gauges, the output of the semiconductor pressure transducer being tsya measuring diagonal of the bridge circuit.