Тензо- или пьезорезистивный принцип измерения
Следующим после емкостного был предложен тензо- или пьезорезистивный принцип измерения давления, основанный на изменении удельного сопротивления вещества при деформации (тензорезистивный эффект). Термин "тензорезистивный" употребляется, как правило, по отношению к сенсорам, в которых используются тонкопленочные тензопреобразователи, либо структуры КНС (кремний на сапфире). В таких сенсорах упругим элементом является металлическая или керамическая мембрана, на которую наклеивается полупроводниковый тензопреобразователь. "Пьезорезистивными" обычно называют монокристаллические кремниевые сенсоры с диффузионными пьезорезисторами, в которых упругим элементом служит сама кремниевая мембрана.
Типичный тензорезистивный сенсор давления на основе структуры КНС состоит из упругой металлической мембраны, к которой припаян тензопреобразователь, представляющий собой подложку из сапфира, на которой методом гетероэпитаксиального наращивания сформирован измерительный мост Уитстона из кремниевых тензорезисторов. Кроме тензомоста, на подложке сформирована схема температурной компенсации (на рисунке не показана). Мембрана по технологическим соображениям делается достаточно толстой, поскольку поверхность, на которую припаивается КНС, должна быть отполирована с высокой чистотой.
Достоинствами тензорезистивного принципа измерения давления являются сравнительная простота в изготовлении, невысокая стоимость и потенциально широкий диапазон рабочих температур.
К недостаткам тензорезистивных сенсоров можно отнести:
низкую чувствительность (в пределах 1%);
значительные гистерезисные явления и нестабильность (из-за неоднородности конструкции и "усталости" металла мембраны);
сильное влияние температуры (за счет различия коэффициентов температурного расширения элементов сенсора и изменения электропроводности кремния);
сильное влияние статического давления (из-за различия упругих свойств элементов конструкции);
наличие нелинейности.
Так же, как и емкостные, современные тензорезистивные датчики подвергаются при выпуске характеризации.
Данный тип сенсора нашел применение в аналоговых однопредельных датчиках избыточного и абсолютного давления, требования к которым существенно менее жесткие, чем к многопредельным датчикам давления. Ведущими мировыми производителями тензорезистивные многопредельные датчики давления сейчас практически не выпускаются.
Конструкция пьезорезистивного сенсора представлена на рисунке. Как и тензорезистивный, он содержит упругую мембрану, закрепленную на стеклянном основании, на которой имеется мост Уитстона, преобразующий деформацию мембраны в электрический сигнал. Однако в данном случае мембрана изготавливается из монокристаллического кремния, а вместо тензорезисторов используются сформированные методом диффузии пьезорезисторы. Поскольку жесткость кремниевой мембраны значительно ниже, чем металлической, разность давлений передается от наружных разделительных мембран через силиконовое масло непосредственно на сенсор без использования рычагов, тяг и т. п.
Достоинствами пьезорезистивных сенсоров являются малый гистерезис, стойкость к вибрации и однородность упругой мембраны.
Недостатки в основном те же, что у тензорезистивных, но выражены в меньшей степени:
низкая чувствительность (2...5%);
сильное влияние температуры (за счет изменения удельного сопротивления пьезорезисторов);
существенное влияние статического давления;
недостаточная стабильность (фактором дрейфа является загрязненность примесями);
наличие нелинейности.
При применении емкостных, тензо- и пьезорезистивных сенсоров в многопредельных перенастраиваемых датчиках давления имеет значение еще один их недостаток – аналоговый выходной сигнал, который необходимо усиливать и оцифровывать для обработки микропроцессором электронного модуля.
Обобщенная функциональная схема датчика давления с аналоговым сигналом сенсора представлена на рисунке. Несмотря на наличие микропроцессора, такой датчик не может полностью реализовать все преимущества цифровой схемотехники, поскольку аналоговые цепи измерительного усилителя и АЦП являются потенциальным источником шумов, нелинейности и дрейфа. Кроме того, в этой схеме при перенастройке шкалы для максимального использования разрядности АЦП изменяется коэффициент усиления сигнала с сенсора. Это приводит к необходимости проверки и подстройки нуля после перенастройки шкалы (для лучших датчиков такого типа) и даже к многократной итерационной подстройке нуля и шкалы с использованием калибратора давления и тока (для менее совершенных датчиков). Использование цифровых коммуникационных протоколов (типа HART и других) не избавляет от этой процедуры, просто подстройка производится с клавиатуры коммуникатора, а не с помощью потенциометров и кнопок.
