Публикации

Чувствительность пьезорезистивных датчиков давления

Пьезорезистивные датчики давления отличаются высокой чувствительностью. Они точны и миниатюрны. Поговорим об их чувствительности.

Пользователи пьезорезистивных датчиков давления ожидают линейного отклика, при котором выходной сигнал пропорционален приложенному давлению. Поэтому кривая диаграммы давления-сигнала должна быть прямой линией, начальная точка которой обозначена нулевым положением, а ее чувствительность — наклонной. Но в реальности форма кривой давления-сигнала обычно показывает резкое отклонение от идеальной линии. Это несоответствие известно как ошибка линейности датчика давления. Зато дуга кривой соответствует его чувствительности.

график_1.jpg

Из иллюстрации видно, что практически линейная часть кривой соответствует более низкой чувствительности (около 70% от номинального давления стружки). Можно подобрать передатчики с очень низкой нелинейностью (например, 0,05% полной шкалы). Но рабочий диапазон должен находиться в пределах линейной части чипа.

Чувствительность пьезорезистивных датчиков давления

Чувствительность датчика давления во многом зависит от двух факторов:

  • удельное сопротивление рассеянных полупроводниковых резисторов и уровень их пьезорезистивной эффективности,
  • толщина кремниевой диафрагмы.

Наибольшее влияние на чувствительность оказывает толщина кремниевой диафрагмы. Это обусловлено ее механической, химической или же комбинированной обработкой. Данные процессы невозможно контролировать настолько точно, чтобы все измерительные ячейки имели одинаковую чувствительность. Поэтому определены классы датчиков давления для определенных диапазонов. В пределах класса чувствительность может варьироваться примерно на ± 20%. Такое отклонение компенсируется в электронике через ток питания или коэффициент усиления (калибровка).

Линейность пьезорезистивных датчиков давления

В спецификациях линейность обычно выражается в % FS (полная шкала). Что касается измеряемых значений, ошибка может оказаться критичной, даже если в спецификации производителя указана очень небольшая величина, несмотря на отображение в % FS.

В измерительных ячейках линейность зависит от нескольких факторов:

  • полупроводниковые резисторы должны быть достаточно маленькими и рассеиваться точно в правильном месте на кремниевой диафрагме,
  • кремниевая диафрагма должна быть чистой, с острыми краями и точно в нужном месте,
  • линейность меняется независимо от того, измеряется ли положительное или отрицательное давление, то есть диафрагма приобретает вогнутую или выпуклую форму (растягивающая или сжимающая нагрузка),
  • определенное соотношение диаметра и толщины кремниевой диафрагмы. Очень тонкие диафрагмы будут деформироваться при наложенном растяжении: этот баллонный эффект в преобразователях для более низких диапазонов давления приводит к типично S-образному ходу кривой линейности (который не может быть исправлен аналоговыми методами компенсации).
  • очень толстые кремниевые диафрагмы невозможно жестко закрепить на ее краях, как того требует предполагаемая структура: например, в случае с датчиком 1000 бар мембрана вдвое толще, чем сам чип.

Перегрузка и давление разрыва пьезорезистивных датчиков

Типичный ход кривой линейности по большей части довольно прямой, а затем более сплюснутый. Для получения максимально широкого выходного сигнала нужна максимально возможная протяженность этой кривой. До отметки около двух третей курс является настолько линейным, что ошибка составляет менее 0,5% полной шкалы. Более того, погрешность линейности становится все более доминирующей, так что устанавливается предел точности. Независимо от предельно низких и высоких значений, номинальный диапазон давления может быть превышен примерно на 50% чтобы вывести измерительную ячейку из строя.

Чтобы повысить защиту от перегрузок, необходимо отказаться от идеи широкого эффективного сигнала: лучше использовать датчик давления, который сам по себе предназначен для более высокого диапазона. Например, в емкостных датчиках давления можно установить механический упор для деформации мембраны под давлением и обеспечения мощной защиты от перегрузки, но это вряд ли возможно для сравнительно крошечных кремниевых мембран пьезорезистивных датчиков давления с их минимальным прогибом.

Производитель STS определяет давление разрыва как давление, при котором среда может попасть в датчик и разрушить металлическую диафрагму, тем самым вывести датчик из строя. Именно в таким расчетом изготавливаются корпуса погружных датчиков, кабельные разъемы и кабели. Таким образом, значения давления разрыва преобразователя в техническом описании оказываются незначительны.

Начало активности (дата): 23.06.2020
23.06.2020
Просмотров:164

Возврат к списку

Нажмите для звонка
8 800 333-65-54
Многоканальный
8 (812) 640-36-69
Офис в г. Санкт-Петербург