精密数字微压差计的研制

　　传统的压力测量工具较多应用U形玻璃管,倾斜式压力计和补偿式微压计等在较长时期中起到了一定的作用。随着科学技术的发展和计算机技术的应用,逐渐显示出上述测量手段的缺陷,如携带不便与不利于现场使用,测量范围和精度受到一定的限制。尤其在自动控制测量和以计算机为核心的数据采集系统,均无法实现计算机连网配套使用。近年来国内外虽研制开发了部分产品,但鉴于仪器价格昂贵和技术尚待完善,尤其是低量程即满量程范围490Pa(50mm H2O)以下的仪器尚是空档。根据教学科研和工矿企业的发展需求,我校研制开发了不同量程的精密微压差计,首先推广用于教学试验,并逐步形成产品,经过近几年的使用效果较好。常规的力敏元件是由四个电阻组成的惠斯登全桥电路结构,为了获得良好的重复性和温度响应特性,这四个电阻必须严格匹配。为此,我们采用新型的横向电压应变计技术,利用压阻效应而设计出来的硅器件,作为压力传感器件而研制出了数字式微压测量仪,具有灵敏度高、性能可靠、价格低廉、使用方便等一系列优点。

1　横向压阻型压力传感器的工作原理

根据周边固定膜片的应力分布理论,当它承受均布压力F时,将在膜内产生大小正比于F的应力,包括纵向应力、横向应力和剪切应力,这三种应力的大小和材料压阻系数有关。压阻系数和应力的变化将会影响材料电阻率的增加或减少,由于单晶硅是立方晶系的晶体,压阻系数的量度仅包含纵向压阻系数、横向压阻系数和剪切压阻系数三个独立量。对于P型硅来说,剪切压阻系数具有最大值,因此在硅膜上扩散可制造一个长为L、宽为W的长条形四端电阻(见图1),当对这个P型扩散电阻通以纵向(1,2端)电流,并在硅膜加一定的压力时,应变电阻上便将产生一个横向电场,即在3.4端将有正比于压力的信号电压输出。

由固体压阻理论可知,电阻率的变化率和剪切应力б12的关系为:

ρ/ρ0=π44·б12

式中:ρ0是无应力作用时的各向同性电阻率;π44为剪切压阻系数;б12表示剪切应力,下标表示引起的电阻率变化是垂直于外加电场方向。因此3,4端的输出电压为:

V3,4= (ρ/ρ0) (W/L) Vcc=π44б12(W/L) Vcc

　　由于输出信号是由外加电压横向输出的,因此称为横向压阻型压力传感器。这种压力传感器的特点是采用单一的P型扩散电阻取代惠斯登电桥的四个臂电阻结构,因而失调电压和零点温度漂移可比电桥结构降低50%以上,从而使精度高出一个数量级。

2　电路的设计

电路设计如图2所示。横向压阻型压力传感器是由单晶硅材料构成,其压阻系数是温度的函数,将随温度上升而呈下降趋势,从而引起传感器的输出也随温度而变化。为了克服这一下降趋势,电路中采用正温度系数的恒流源来作补偿,使最终的输出温度系数为零。由于压力传感器的压阻系数数值很小,即使在满量程的情况下,应变电阻的变化量还不到其阻值的1%,因此输出电压是相当小的,只有毫伏数量级,所以输出必须经过信号放大处理。放大电路是由五个运放组成,为保证不影响传感器的电路工作状态,采用了具有很高输入阻抗的差动放大电路。对后级并要割断共模信号的传递,同时还将双端输入转换成单端输出,以适应对地负载的需要。经过放大处理后的信号,一路可直接供给计算机,另一路则供给数字显示的A/D转换和驱动LED,用于显示被测量的数值。考虑到实际使用时,当输入压力为零时,输出端电压也要为零。实际上每个传感器由于制造工艺等原因,都有一个为零的零位输出电压,因而需要在系统中重新调零,故在设计时加入了调零电路。