Материал: 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП

единиц МКГСС, является одной из основных единиц этой системы. Равна силе, сообщающей телу массой один килограмм при ускорении 9,80665 м/с², т. е. нормальном ускорении свободного падения.

Рис. 4.34 — Манганиновый манометр

Итак, диапазон давлений, измеряемых манганиновыми манометрами, составляет от 100 МПа (1000 кгс/см2) до 4 ГПа (40000 кгс/см2), погрешность измерений — от 0,4 до 2,5% (рабочие средства измерений) и от 0,2 до 0,6% (образцовые средства измерений). Долговременная стабильность (5–10 лет) и воспроизводимость показаний хорошо изготовленных манганиновых манометров составляют ±0,2% каждая. Влияние температуры определяется изменением электросопротивления, которое в среднем составляет 0,01% на 1°С.

Манометры сопротивления практически не применимы при давлениях менее 50 МПа из-за относительно низкого тензоэффекта при всестороннем сжатии проводника. Поэтому при измерении малых и средних давлений производится предварительное преобразование давления в деформацию УЧЭ, которая создает в материале тензорезистора требуемые растягивающие или сжимающие усилия. При этом уменьшение давления компенсируется увеличением геометрических размеров УЧЭ и уменьшением толщины его стенок.

На этом принципе основано подавляющее большинство проволочных тензорезистивных манометров. Находят применение как наклеиваемые на поверхность УЧЭ проволочные тензорезисторы, так и «свободные» тензорезистивные преобразователи, в которых деформации подвергаются ненаклеенные проволочные нити.

Общий недостаток конструкций с наклеиваемыми проволочными тензорезисторами — нестабильность закрепления последних на деформируемой поверхности, особенно при воздействии повышенных температур. С этой точки зрения предпочтительнее «свободные» тензорезистивные преобразователи, которые почти полностью совмещают функции упругого элемента и тензорезистора, обеспечивая высокую собственную частоту и хорошую стабильность нуля, так как жесткость других упругих элементов (мембраны, сильфона и пр.) в этом случае выбирается существенно меньшей.

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. 4.35, а) состоит из тонкой металлической фольги 1, выполненной в виде петлеобразной решетки, которая специальным клеем закреплена на подложке 2 из изоляционного материала.

Рис. 4.35 — Конструкции фольговых тензорезисторов

К расширенным концам решетки припаиваются проволочные токосъемники 3, а сверху на решетку наносится изоляционное покрытие 4 для защиты от воздействия окружающей среды. Сопротивление резистора определяется базой l, числом последовательно соединенных полосок фоль-

ги 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.

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. 4.35, б) содержит сильфон 1, преобразующий измеряемое давление р в усилие, которое с помощью стержня 2 изгибает 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. 4.35, в) выходной сигнал усиливается и после преобразований поступает на цифровое табло указателя 2. Одновременно происходит преобразование в аналоговый и кодовый выходные сигналы.

Несмотря на ряд очевидных достоинств (высокая точность, хорошая долговременная стабильность, высокая собственная частота, применимость для изготовления небольших серий), фольговые тензорезисторы имеют также и недостатки: относительная дороговизна в связи с жесткими допусками на изготовление; невысокая тензочувствительность, свойственная всем металлическим тензорезисторам (k ≈ 2), что требует соответствующего усиления; ограниченный диапазон температур и возможности миниатюризации.

Тонкопленочные тензорезисторы. Дальнейшие возможности развития тензорезистивных манометров предоставила тонкопленочная техника, получившая в последнее время распространение в различных областях микроэлектроники, в которой в отличие от фольговой техники перед нанесением на подложку проводящего материала тензорезисторов 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 материа-

лы с повышенным коэффициентом тензочувствительности (k = 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 10–5÷10–8 Ом∙м, а диэлектриков 108÷1016 Ом∙м, то

диапазон удельных сопротивлений полупроводников простирается от 10–5÷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 n-типа (от «негатив» — отрицательный). Примеси, которые захватывают валентный электрон и при этом у одного из атомов полупроводника возникает «дырка», называют акцепторными (принимающим), 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 тензорезистора к его деформации существенно выше, чем изменение сопротивления под влиянием изменения поперечного сечения.

Конструктивное выполнение полупроводниковых тензорезисторов аналогично тонкопленочным тензорезисторам (рис. 4.35, а). Те же технологические приемы применяются и при изготовлении полупроводниковых тензорезисторов. При этом используются два основных способа:

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

2)полупроводниковый кремниевый тензорезистор с р-проводи- мостью 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.

Преимуществами тензорезистивных полупроводниковых преобразователей являются: высокий коэффициент тензочувствительности; возможность миниатюризации чувствительного элемента; непосредственное применение достижений современной микроэлектроники.

К недостаткам полупроводниковых преобразователей относятся: сложность технологии изготовления ЧЭ, что неприемлемо при мелкосерийном производстве; хрупкость ЧЭ, что ограничивает их применение в условиях сотрясений, скачков давления; относительно большое влияние температуры на коэффициент тензочувствительности. Последнее особенно важно для тензорезисторов, основанных на КНК структурах, максимальная температура эксплуатации которых ограничена 120°С.

Манометры с силовой компенсацией. Все рассмотренные вы-

ше деформационные манометры основаны на методе прямого преобразования давления. Метод уравновешивающего преобразования давления, хотя и менее распространен в технике измерения давления, но продолжает сохранять заметную роль в некоторых отраслях промышленности, в которой находят применение манометры с силовым уравновешиванием двух типов: уравновешивание измеряемого давления пневматическим давлением (пневматическая силовая компенсация); уравновешивание измеряемого давления электромагнитными силами (электромагнитная силовая компенсация).

При этом во время уравновешивания силы, возникающей в первичном ЧЭ под действием измеряемого давления силой, развиваемой цепью обратной связи, происходит незначительное перемещение первичного ЧЭ, независимо от его жесткости, что позволяет в широких пределах варьировать чувствительностью измеряемой системы.

Перспективы развития деформационных манометров. По прин-

ципу действия деформационные манометры требуют для своей градуировки применения методов и средств, основанных на абсолютных методах воспроизведения давления. Повышение их точности, в принципе, ограничено точностью применяемых при градуировке жидкостных и поршневых эталонов, которая характеризуется погрешностями порядка 10–5–5∙10–5. Это позволило уже в настоящее время со-