Ćwiczenie 7
Kompensacja błędów temperaturowych
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, zasada działania, podstawowymi parametrami, modelem elektrycznym oraz sposobami kompensacji błędów temperaturowych półprzewodnikowych czujników ciśnienia typu piezorezystancyjnego. Ćwiczący badają skompensowany i nieskompensowany temperaturowo czujnik ciśnienia; poznają też jedno z wielu zastosowań tego typu czujników.
Czujniki ciśnienia znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie należy mierzyć ciśnienie bezwzględne (absolutne), względne (różnicowe), nadciśnienie. Stanowić mogą one wyposażenie pomp, kompresorów, systemów hydraulicznych i transportujących media, systemów hamulcowych czy paliwowych w samochodach. Stosuje się je w mikrofonach, instrumentach biomedycznych (np. do pomiaru ciśnienia krwi i płynów), w układach kontroli próżni, oprzyrządowaniu tuneli wiatrowych, w pomiarze ciśnienia wokół skrzydeł samolotu.
Współcześnie główny udział w rynku mają czujniki półprzewodnikowe. W submilimetrowej skali przyrządów elektronicznych takie materiały jak krzem wykazują wielką odporność na zmęczenie, co jest bardzo rzadko spotykane w skali makro. Dzięki temu membrana krzemowa może być zginana praktycznie nieskończenie długo, w wyniku czego czujnik taki jest bardzo trwały. Dwa główne rodzaje takich przyrządów to czujniki pojemnościowe i piezorezystancyjne. Istnieją też rozwiązania zintegrowanych przetworników ciśnienia – w jednej obudowie mieści się czujnik oraz układy zapewniające jego liniowość, układy kompensacji temperaturowej, wzmacniające itp. (mogą to być tzw. systemy MEMS – Micro-Electro-Mechanical-Systems). Na wyjściu otrzymuje się sygnał cyfrowy lub analogowy do wyprowadzenia na przetwornik analogowo-cyfrowy, najczęściej o liniowej zależności wielkości wyjściowej od ciśnienia. Do produkcji tego typu przyrządów wykorzystuje się najczęściej technologie mikromechaniczne. Coraz częściej spotkać można tez czujniki wykonane w technologii SOS (Silicon on Sapphire), które mimo ich wysokiej ceny charakteryzują się znakomitymi parametrami. Przykładowo, stabilność długoczasowa takich czujników jest większa niż 0.1% na rok.
Zasadniczą częścią czujników wykorzystujących efekt pojemnościowy (rys. 1) jest specjalnie zbudowany kondensator [1]. Górną jego okładkę stanowi giętka membrana. Dolną okładką jest sztywna kształtka uformowana w wyniku anizotropowego, mokrego trawienia krzemu. Cały kondensator składa się z centralnej części, czułej na zmiany ciśnienia i części brzegowej odgrywającej rolę pojemności stałej. Widoczne podtrawienie brzegowe tworzące wnękę redukuje wartość pojemności brzegowej, a ponadto zwiększa objętość przestrzeni z ciśnieniem odniesienia, zapewniając tym samym większą stabilność parametrów. Ugięcie górnej membrany pod wpływem przyłożonego ciśnienia powoduje zmianę odległości między okładkami kondensatora i w wyniku zmianę jego pojemności. Wyjście czujników tego typu w naturalny sposób nadaje się do połączenia z obwodami działającymi na zasadzie przełączanych pojemności. Parametry kondensatora utworzonego przez membrany mniej zależą od temperatury i czasu niż parametry piezorezystorów używanych w czujnikach piezorezystancyjnych.
Rys. 1. Budowa czujnika pojemnościowego.
Schemat układu wzmacniającego do pojemnościowego czujnika ciśnienia przedstawia rys. 2. W układzie wzmacniacza ładunkowego występuje pojemność odniesienia Cc. Jeżeli sygnał na tej pojemności jest przesunięty w fazie o p względem sygnału na pojemności mierzonej Cm., to układ jest najbardziej czuły na zmiany pojemności DCm wywołane zmieniającym się ciśnieniem.
Rys. 2. Układ wzmacniający do pojemnościowego czujnika ciśnienia.
Czujniki piezorezystancyjne wykorzystujące efekt zmiany rezystancji materiału pod wpływem działającego ciśnienia. Cechują się one dużą trwałością, szerokim zakresem ciśnień i małymi rozmiarami. Proces produkcji tych czujników jest prostszy i tańszy niż czujników pojemnościowych (mniej etapów technologicznych, mniej masek itp.).
Typową konstrukcję piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia przedstawia rys. 3 [2]. Główną jego część stanowi membrana wytrawiona w krzemie. Jej grubość jest tym większa, im większy zakres ciśnienia ma mierzyć czujnik. Zazwyczaj producent dopuszcza pewien zapas ciśnienia, które wytrzymuje przyrząd (np. 2, 3, 4-krotne przeciążenie). Po przekroczeniu zakresu pracy czujnik taki przestaje być liniowy i jego wskazania są mniej dokładne (po powrocie do zakresu pracy znowu działa prawidłowo).
|
a) |
b) |
|
|
Rys. 3. Przekrój i budowa piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia (a) oraz konstrukcja membrany czujnika wraz z rozmieszczeniem piezorezystorów (b). |
||
W membranie (rys. 3b) stanowiącej podłoże typu n wytworzone są metodą implantacji jonów (lub dyfuzji – dla czujników starszej generacji) cztery zagrzebane piezorezystory typu p. Ich grubość wynosi najczęściej ok. 1-2mm. Mogą być wykonane z krzemu domieszkowanego lub polikrystalicznego. Krzem polikrystaliczny ma lepszą stabilność i może być stosowany w temperaturach pracy do 200oC. Stosując go można uniknąć złącz p-n o parametrach zależnych od czasu i temperatury.
Zmiany rezystancji krzemu krystalicznego pod wpływem naprężeń nie są izotropowe i można je przedstawić w postaci dwu składowych – jednej równoległej do kierunku naprężenia i drugiej prostopadłej do niego:
(1)
,
(2)
gdzie s^ i s|| stanowią odpowiednie składowe siły naprężenia. Są one proporcjonalne do ciśnienia i do pierwiastka z l/h, gdzie h jest grubością membrany, a l odległością od środka membrany do jej krawędzi. Współczynniki piezorezystancji p^ i p|| są funkcjami temperatury i koncentracji domieszek. Dla zapewnienia jak największej czułości piezorezystory są umieszczone przy krawędziach membrany. Z każdej strony piezorezystora jest umieszczony kontakt metalowy – czasami wzbogacony dodatkowo wdyfundowaną warstwą przewodzącą. Powierzchnia czujnika jest zazwyczaj pokryta ochronną warstwą pasywującą, np. SiO2 lub Si3N4. Po załączeniu zasilania na podłożu krzemowym ustala się najwyższy potencjał, dzięki czemu wszystkie piezorezystory typu p są odwrotnie spolaryzowane w stosunku do podłoża typu n.
Czujniki projektuje się zazwyczaj przy pomocy metody elementów skończonych lub innych symulacji w celu znalezienia kształtów membrany i rezystorów oraz ich wzajemnej konfiguracji (szuka się maksymalnej czułości).
Najprostszym połączeniem piezorezystorów tworzących czujnik jest układ mostka Wheatstone’a (rys. 4).
Rys. 4. Układ piezorezystorów tworzących mostek Wheatstone’a.
Jest on utworzony z czterech piezorezystorów znajdujących się przy czterech krawędziach membrany czujnika. Pod wpływem ciśnienia doprowadzonego prostopadle membrana ulega odkształceniu - z nią również piezorezystory. Dwa z nich (Ra i Rc) umieszczone równolegle do kierunku naprężenia są rozciągane i ich rezystancja rośnie. Dwa (Rb i Rd) umieszczone prostopadle do kierunku naprężenia są ściskane, a ich rezystancja maleje ze wzrostem ciśnienia (rys. 3b). Rezystory równoległe (Ra i Rc) są utworzone z pary elementów połączonych szeregowo w celu zwiększenia czułości, która jest malejącą funkcją odległości od krawędzi membrany (coraz mniejsze składowe nacisku s^ i s||, bo maleje stosunek l/h). Ich absolutna rezystancja jest taka sama jak rezystorów zorientowanych prostopadle. Piezorezystory o tym samym kierunku zmian odkształceń i zarazem rezystancji są umieszczone naprzeciwko siebie w mostku. Napięcie wyjściowe mostka rośnie, gdy rezystancje Ra i Rc rosną, a Rb i Rd maleją wg zależności:
(3)
Poza membraną czułą na ciśnienie mogą znajdować się układy równoważące mostek, dopasowujące zakres, kompensujące błędy temperaturowe itp. Czujniki posiadające takie układy zintegrowane nazywa się skompensowanymi.
Struktura czujnika jest osadzona na warstwie szkła o identycznej rozszerzalności cieplnej jak krzem, a często dodatkowo na podłożowej płytce krzemowej. Jeśli czujnik jest przeznaczony do pomiaru ciśnienia bezwzględnego, w wytrawionej komorze znajduje się próżnia odniesienia. Czujniki mierzące ciśnienie względne lub nadciśnienie mają nieco inną budowę. Aby możliwe było doprowadzenie ciśnienia z dwu stron membrany, podłoże krzemowe ma specjalnie przygotowany otwór.
Rodzaj obudowy różni się w zależności od przeznaczenia czujnika. Podstawowym jej zadaniem jest doprowadzenie ciśnienia do membrany - najczęściej przez specjalną dyszę - oraz ochrona delikatnej struktury przed szkodliwymi oddziaływaniami chemicznymi i mechanicznymi. Szczelna obudowa wykonana jest z wytrzymałego materiału termoplastycznego w kształcie kapsuły (rys. 5). Struktura czujnika połączona jest cienkim złotym drutem (bonding) z wyprowadzeniami wychodzącymi na zewnątrz obudowy. Powierzchnia membrany oraz doprowadzenia są pokryte żelem silikonowym, tak aby odizolować je od szkodliwego działania środowiska. Żel taki jest gęsty i sprężysty, dzięki czemu przenosi sygnał ciśnienia do krzemowej membrany.
Rys. 5. Czujnik ciśnienia w obudowie-kapsule.
Sygnał z czujnika ma zazwyczaj wartość co najwyżej dziesiątek miliwoltów dla pełnego zakresu zmian ciśnienia. Dlatego sygnał napięciowy z mostka pomiarowego utworzonego przez 4 piezorezystory jest najczęściej podawany na obwody wzmacniające i dopasowujące poziomy napięć (rys. 6).
Rys. 6. Prosty układ wzmacniający do odczytu sygnału z mostka utworzonego przez 4 piezorezystory.
Inne rozwiązanie czujnika ciśnienia (X-ducer) zaproponowała firma Motorola [3]. Jest on zbudowany z wykorzystaniem pojedynczego piezorezystora krzemowego, uzyskiwanego drogą implantacji jonowej na cienkiej membranie krzemowej i osadzonego na krawędzi membrany (rys. 7).
Rys. 7. Konstrukcja membrany krzemowej w czujniku X-ducer firmy Motorola.
Doprowadzenie ciśnienia do membrany powoduje jej odkształcenie, a zarazem zmianę rezystancji piezorezystora. Wpływa ona na zmianę napięcia wyjściowego proporcjonalnie do zmian ciśnienia. Piezorezystor jest integralną częścią membrany, dlatego nie występują żadne dodatkowe efekty temperaturowe związane z różnymi rozszerzalnościami termicznymi membrany i piezorezystora. Parametry wyjściowe odkształcanego elementu zależą jednak od temperatury, wymagana jest zatem kompensacja przyrządu. Dla wąskich zakresów temperatury pracy czujnika (np. 0¸85°C) wystarczy zastosować prostą drabinkę rezystorową. Dla zakresów szerokich (np. -400¸125°C) konieczne jest stosowanie bardziej skomplikowanych układów kompensacyjnych.
Przez piezorezystor płynie prąd wymuszenia (doprowadzenia 1 i 3), a medium, którego ciśnienie ma być mierzone, jest doprowadzone prostopadle do membrany. Nacisk powoduje powstanie w piezoelemencie poprzecznego pola elektrycznego, które jest wykrywane jako zmiana napięcia na wyjściu piezorezystora (doprowadzenia 2 i 4). Takie poprzeczne napięcie powstałe w pojedynczym elemencie na skutek odkształcenia można rozpatrywać jako analogię mechaniczną przyrządu z efektem Halla. W istocie wynika ono z niejednorodnego rozkładu rezystywności w próbce o znacznym gradiencie naprężeń.
Użycie pojedynczego elementu eliminuje potrzebę stosowania ściśle dopasowanych czterech rezystorów tworzących mostek Wheatstone'a. Jednocześnie znacznie upraszcza to budowę dodatkowych układów potrzebnych do kalibracji i kompensacji temperatury. Offset nie zależy od dopasowania rezystorów, jak ma to miejsce w tradycyjnym rozwiązaniu, ale od dokładności z jaką umieszczone są względem siebie doprowadzenia, na których występuje napięcie poprzeczne. Doprowadzenia te wytwarza się w pojedynczym kroku fotolitografii, co pozwala na łatwą kontrolę dokładności. Napięcie offsetu jest zawsze dodatnie, dzięki czemu upraszcza się sposób jego zerowania.
Czujniki ciśnienia są dostępne w trzech różnych konfiguracjach, które pozwalają na pomiar ciśnienia absolutnego, względnego i nadciśnienia. Ciśnienie absolutne (np. barometryczne) jest mierzone w odniesieniu do próżni wytworzonej w przestrzeni poniżej membrany. Ciśnienie względne (np. powietrza przechodzącego przez zawór) jest mierzone poprzez doprowadzenie obu gazów jednocześnie do przeciwnych stron czujnika. Pomiar nadciśnienia (np. ciśnienia krwi) jest specjalnym przypadkiem pomiaru ciśnienia względnego, gdzie jako referencję używa się ciśnienia atmosferycznego.
W najnowszych rozwiązaniach, np. w sieciach kontrolno-sterujących LonWorks, spotkać można „inteligentne” przetworniki ciśnienia. Zawierają one zarówno strukturę czujnika, jak również układy przetwarzania i transmisji sygnału. Mogą zdalnie kalibrować czujnik, eliminować programowo niektóre błędy pomiarowe, wykonywać obliczenia na mierzonych wielkościach (np. filtracja), przesyłać zebrane dane lub lokalnie sterować urządzenia wykonawcze. Sygnał z czujnika może być też przesyłany w postaci analogowej (np. pętla prądowa 4-20mA), zamieniany na przebieg o zmiennym wypełnieniu (PWM) lub zmiennej częstotliwości. Sygnały takie można poddać obróbce w mikrokontrolerze (dodatkowa możliwość kompensacji błędów, wyświetlanie, przesyłanie wyników itp.).
W procesie wytwarzania czujnika stosuje się zarówno technologie bipolarne, jak i CMOS. Wzmacnianie sygnału w czujniku jest pierwszym koniecznym krokiem zapewniającym niski poziom szumów w sygnale wyjściowym. W układzie mogą być też umieszczone obwody kompensujące efekty zmian temperatury i dostarczające napięcie odniesienia do kompensacji oczekiwanej zależności temperaturowej sygnału czujnika. Dodatni współczynnik temperaturowy sygnału czujnika jest kompensowany ujemnym współczynnikiem temperaturowym termistora. Kompensacja może być też dokonywana programowo, a układ kalibrowany po wytworzeniu czujnika. Przetworniki ciśnienia wysokiej klasy są kalibrowane i kompensowane za pomocą termistorów i rezystorów nacinanych laserowo, co w oczywisty sposób wpływa na koszt urządzenia. Dodatkowym zabiegiem eliminującym wpływ szumów i efekty nieliniowe jest zamiana sygnału analogowego na cyfrowy już w czujniku.
Błąd temperaturowy ma dwie składowe [4]. Pierwsza to błąd zera, wynikający ze zmiany sygnału wyjściowego z temperaturą przy zerowym ciśnieniu wejściowym. Druga składowa to błąd czułości, którego źródłem jest zmienność rezystancji mostka wraz z temperaturą oraz zależność stałej czułości piezorezystorów od temperatury.
Celem kompensacji tych błędów jest wyzerowanie mostka przy zerowym ciśnieniu w określonej temperaturze odniesienia (np. 25°C). Napięcie niezrównoważenia mostka można skompensować przez odpowiedni dobór rezystancji w każdej z gałęzi mostka. Najczęściej stosuje się rezystancje szeregowe i równoległe (rys. 8a). Klasycznym sposobem doboru tych rezystancji jest ustawienie zera mostka w dwóch temperaturach. Kompensacja będzie zapewniona również dla innych temperatur, jeśli założymy liniowość mostka i liniową zależność błędu zera od temperatury.
W skompensowanych czujnikach typu X-ducer zastosowanych jest siedem cienkowarstwowych rezystorów nacinanych laserem oraz dwa termistory (rys. 8b). Zapewniają one kalibrację offsetu czujnika, zakresu napięcia wyjściowego, symetrii i kompensację zmian temperaturowych.
|
a) |
|
|
Rys. 8. Kompensacja w czujniku tradycyjnym (a) oraz czujniku typu X-ducer firmy Motorola (b). |
|
Własności czujników ciśnienia są charakteryzowane pewnymi typowymi parametrami, które określa producent. Jako przykład podano czujnik serii MPX50 firmy Motorola:
- zakres ciśnienia wejściowego – 0-10kPa
- nominalne napięcie zasilania – 3V
- nominalny prąd pobierany ze źródła – 6mA
- zakres napięcia wyjściowego VFSS dla pełnego zakresu zmian ciśnienia – 35 mV
- offset: napięcie wyjściowe przy minimalnej wartości ciśnienia wejściowego – 20mV
- czułość: stosunek zmiany napięcia wyjściowego do zmiany ciśnienia na wejściu – 3mV/kPa
- liniowość charakterystyki przetwarzania (np. 1% VFSS)
- histereza temperatury – +/- 0.5 %VFSS
- temperaturowy współczynnik rezystancji TWR – 0.21%Zwe/°C
- impedancja wejściowa Zin – 400W
- impedancja wyjściowa – 750W
- czas odpowiedzi (od 10% do 90%) – 1ms
- inne
Ćwiczenie przeprowadza się w układzie jak na rys. 9. Cały pomiar jest zautomatyzowany, a sterowanie poszczególnymi etapami przeprowadza się za pomocą aplikacji napisanej w programie TestPoint. Program umożliwia m.in. pomiar charakterystyk U(p) czujników, graficzną ich prezentację i wydruk wyników.
Rys. 9. Układ pomiarowy.
1. Badanie podstawowych charakterystyk czujników.
W temperaturze odniesienia (np.250C) przeprowadzić pomiar sygnału wyjściowego U w zależności od zmian ciśnienia wejściowego p. Wykreślić charakterystykę U(p) czujników i na jej podstawie określić:
-
zakres napięcia wyjściowego VFSS
dla pełnego zakresu zmian ciśnienia
-
czułość
-
offset
Pomiary wykonać dla czujnika z kompensacją temperatury oraz dla czujnika bez kompensacji, a następnie porównać charakterystyki i wyliczone parametry.
UWAGA:
-
pomiary przeprowadzić dla rosnących
i malejących wartości ciśnienia
-
wykonać kilka cykli pomiarowych
i uśrednić wyniki
2. Badanie wrażliwości czujników na zmiany temperatury.
Dla ustalonego ciśnienia (dolna i górna wartość zakresu) zmieniać temperaturę i mierzyć zmiany sygnału wyjściowego. Temperaturę zmieniać w następujący sposób:
T0 --> Tmax --> T0 --> Tmin --> T0
[1] Sensors. A Comprehensive Survey, Ed. by W. Göpel, J. Hesse, J. N. Zemel, Vol. 8, Micro and Nanosensor Technology/Trends in Sensor Markets, Ed. by H. Meixner and R. Jones, VCH, Weinheim1995.
[2] „Stability and thermal hysteresis of silicon pressure sensor”, NovaSensor Application Note 1, 1996.
[3] Motorola Sensor Device Data Handbook, 3rd Edition, 1995, 4th Edition 1997.
[4] Laboratorium miernictwa przemysłowego, praca zbiorowa pod red. J. Frączka i S. Walusia, „Zautomatyzowane badania czujników i przetworników ciśnienia”, oprac. J. Żelezik, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1997.
