Устройство для измерения параметров среды

(19) (11) т ЕНИ ив ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТОРСИ СВДТЛСТ(56) 1, Авторское свидетельство СССР йф 539237, кл, 0 01 1. 9/08, 1975.2. Приборы и элементы автоматики и вычислительной техники. Экспресс- информация, И 1977, Ир 19, с, 5-8, (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗИЕРЕ;. НИЯ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ содержащее полупроводниковую пластину, на одной стороне которой сформированы регулирующий транзистор, нагреватель и два термочувствительных элемента, расположенных по обе стороны от него и включенных в смежные плечи моста измерительной схемы, ббщая точка которых подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с компенсационным термочувствительным элементом, рас(51) 6 О 1 Г 1/68; О 019/081 0 01 Р положенным вне зоны нагрева, а Выходподключен к базе регулирующего транзистора, эмиттер иколлектор. которого подключены к источнику питания, измерительная диагональ мостасоединена со входами первого риФФеренциального усилителя, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения точности измерения и расширения функциональных возможностейустройства, нагреватель"выполнен ввиде тензорезистора с поперечной пьезоЭДС, на другой стороне полупроводниковой пластины сформирована мембрана, а в измерительную схему введен второй дифференциальный усили- дтель, при этом коллектор регулирующего транзистора соединен с одним из токовых контактов тензорезистора, другой токовый контакт которо" Сго подключен непосредственно к источнику питания, а потенциальные контак ты тензорезистора подключены к вхо"дам второго дифференциального усилителя.10290112, Устройство по и, 1, о т л и - рого дифференциального усилителя вклю" чающееся тем, что, сцелью чен полевой транзистор, затвор кото- повышения точности измерения давле- рого соединен с выходом первого дифния среды, в цепь обратной связи вто ференциального усилителя,15 Изобретение относится к измерительной технике и предназначенодля измерения параметров среды - ско.рости, расхода и давления, Изобретение может быть использовано в метеорологии, автомобильной, химичес",кой, электронной промышленностях,Известно устройство для измере.ния параметров среды, содержащеекорпус с размещенным в нем датчиком давления в виде пьезоэлектрической пластинки с внутренним инаружным пленочным электродами.Наружный электрод соединен с источником постоянного тока и измерителем электрического сопротивления.Известное устройство позволяет изме.рять скорость и давление среды 11.Однако известное устройство)обладает невысокой точностью, вследствии изменения коэффициента пьеэочувствительности от температурысреды, а также температуры наружного электрода,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству- является расходомер на интегральных схемах с функцией определения направления потока, содержащий монолитный полупроводниковый кристалл, на котором сформированы методами планарной технологии регулирующий транзистор, обеспечивающий постоянный перегрев кристалла над темпера 35 турой потока и два термочувствительных элемента, представляющие собой.биполярные транзисторы, Термочувстви тельные элементы расположены по обе стороны от транзистора-нагревателя и включены в смежные плечи мостовой измерительной схемы, Схема управления транэистора-нагревателя содержит компенсатор, представляющий собой транзистор, помешенный отдельно в поток среды и измеряющий температуру потока. Термокомпенсатор соединен с операционным усилителем,выход которого подключен к базе транзистора-нагревателя 2,Известное устройство предназначено для измерения скорости и расхода потока и не дает информации одругих параметрах потока,Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей устройства,Поставленная цель достигаетсятем, что в устройстве для измеренияпараметров среды, содержащем полупроводниковую пластину, на одной стороне которой сформированы регулирующий транзистор, нагреватель и дватермочувствительных элемента, расположенных по обе стороны от него ивключенных в смежные плечи моста измерительной схемы, общая точка которых подключена к инвертирующемувходу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединенс компенсационным термочувствительным элементом, расположенным вне зоны нагрева, а выход подключен к базерегулирующего транзистора, эмиттер,и коллектор которого подключенык источнику питания, измерительнаядиагональ моста соединена со входа ми первого дифференциального усилителя, нагреватель выполнен в видетензорезистора с поперечной пьеэоЭДС,на другой стороне полупроводниковойпластины сформирована мембрана, а визмерительную схему введен второйдифференциальный усилитель, при этомколлектор регулирующего транзисторасоединен с одним иэ токовых контактов тензорезистора, другой токовыйконтакт которого подключен непосредственно к источнику питания, а потенциальные контакты тензорезистораподключены к входам второго дифференциального усилителя,Кроме того, для повышения точности измерения давления среды, в цепь3 0обратной связи второго дифференци=ального усилителя включен полевойтранзистор, затвор которого соединенс выходом первого дифференциальногоусилителя,На фиг. 1 показана монолитнаяполупроводниковая пластина во взаимодействии с потоком контролируемойсреды, разрез; на фиг. 2 - электри-.ческая схема устройства для измерения параметров среды.Устройство содержит монолитнуюполупроводниковую пластину 1, на од,ной стороне 2 которой размещены два.термочувствительных элемента3 и 4представляющие собой биполярныетранзисторы, включенные в смежныеплечи мостовой измерительной схемы,На стороне 2 пластинырасположентензорезистор 5 с поперечной пьезоЭДСимеющий токовые контакты 6 и 7 и потенциальные контакты 8 и 9, Со стороны 10 в пластине 1 сформированатонкая мембрана 11 для увеличениячувствительности к давлению, увеличения теплового сопротивления. междутензорезистором 5, териочувствигельными элементами 3 и 4 по массе монолитной полупроводниковой пластиныа также для уменьшения тепловой инерционности измерений, Полупроводниковая пластина с мембраной представляют собой одно целое и изготавлива"ются по групповой планарной интегральнойтехнологии из полупроводникового материала,Токовый контакт 6 тензорезистора5 соединен с плюсом источника питания 12, а токовйй контакт 7 - с коллекторои регулирующего транзистора13, база которого соединена с выходом 14 операционного усилителя 15.Неинвертирующий вход 16 усилителя15 соединен с эмиттером транзистора17, служащего термокомпенсаторои,который помещен в среду и измеряет,ее температуру. Коллектор транзистора 17 через ограничительное сопротивление 18 соединен с плюсом источника питания 12, Транзистор 17включен в режиме датчика температуры, ток через который поддерживается постоянным при помощи источника постоянного тока 19,20 транзистор 32 своим затвором подключен к выходу дифференциального уси 25 лителя 22.Устройство работает следующим образои,При скорости потока среды, равнойнулю, задается определенный перегревмонолитной полупроводниковой пластины 1, определяемый заданной величиной нагревательного тока, протекающего по тензорезистору 5 через токовые контакты 6 и 7Пластина 1 равно 35 мерно прогревается, термочувствительные элементы 3 и 4 имеют равныесигналы на коллекторах, Выходной сигнал мостовой измерительной схемы равен нулю,При движении контролируемой средывдоль поверхности 10 монолитной полупроводниковой пластины 1 происходит теплообиен между элементами пластины 1 и средой. Пограничный слой4534 частично нагревается от участкамембраны 11, расположенного вблизитермочувствительного элемента 4, охлаждая несколько его, дополнительно нагревается от тензорезистора 5и передает часть своего избыточноготепла термоэлемент. 3. В результатевозникает перепад температур междутермочувствительными элементами 3и 4, пропорциональный корню квадратному из скорости потока. Этот дифференциальный сигнал усиливается дифференциальным усилителем 22, Далееего можно возвести в квадрат для.получения линейной зависимости выТермочувствительные элементы 3 и 4 включены в иостовую измерительную схему, разностный сигнал которой подается на входы 20 и 21 дифферен 29011 циального усилителя 2, Сопротивления 23 и 24 являются плечами мостовой измерительной схеиы, Токи через термочувствительные элементы 3 и 4 поддерживаются постоянными посредствои источника постоянного тока 25, Точка подключения 26 эмиттеров транзисторов, являющихся термочувствитель" ными элементами 3 и 4 соединена с инвертирующии входом 27 операционного усилителя 15.Потенциальные контакты 8 и 9 размещены в зоне наибольших дефориаций,на краях, либо в центре мембраны, в зависимости от кристаллогрзфическойориентации исходного полупроводни" кового материала, и подключены между входами 28 и 29 дополнительного дифференциального усилителя 30, между выходом 31 и входом 29 которого вклю чен полевой транзистор 32, реализующий цепь обратной связи, Ролевойходного сигнала от скорости потока.При изменении скорости потока, например увеличении, некоторая частьтепла уносится с пограничным слоем31 от пластины 1, температура которойуменьшается. Увеличивается при этомнапряжение на термоэлементах 3 итем самым уменьшается потенциал точки подключения 26, а соответственно,и потенциал инвертирующего входа 27,увеличивается коэффициент усиленияоперационного усилителя 15, увеличивается ток базы регулирующего транзистора 13, соответственно - нагревательный ток, т.е. ток через токовые контакты тензорезистора 5 с поперечной пьезоЭДС, Так поддерживается постоянным перегрев пластины 1над температурой среды при изменении скорости. где (в) - множитель, зависящий откристаллографи ческой плос.кости мембраны и располо"жения центра тензоэлементана мембране;Е - разность потенциалов междупчттоковыми контактами; а и Ъ - длина и ширина прямоугольной области, в которойпроисходит растекание тока; А И гринтенсивность нагрузки;толщина мембраны; гдеЬ При изменении температуры среды изменяется напряжение на термокомпенсаторе, изменяя тем самым потенциал неинвертирующего входа 16 операционного усилителя 15, что приводит к изменению величины тока базы регулирующего транзистора 13, далее- нагревательного тока, Таким образом поддерживается постоянным пергрев пластины 1 над температурой среды,Контролируемая среда воздействует на тонкую мембрану 11, создавая в ней деформации, пропорциональные давлению. На потенциальных контактах 8 и 9 возникает при этом разность потенциалов, пропорциональная указанному давлению среды д - радиус;744 - коэффициент пьезосопротив ления,Эта разность потенциалов увеличивается прямо пропорционально при увеличении давления на мембрану 11,Сигнал ОЬусиливается дополнительным дифференциальным усилителем 301 В и является Функцией давления, велицины тока, протекающего через токовые контакты, т,е, напряжения питаниЯ тензоРезистоРа 5 Е 0 кт, коэффициента пьезосопротивления, а также за висит от конструктивных параметров мембраны 11 и тензорезистора5. При увеличении температуры среды коэффициент пьезосопротивленияуменьшается,Одновременно схема управленияперегревом чипа 1, включающая термокомпенсатор 17, операционный усилитель 15 и регулирующий транзистор13, увеличивает напряжение питания5 тензорезистора, обеспечивая постоянный перегрев пластины 1 над температурой среды,Таким образом, одновременно суменьшением коэффициента пьезосопроЗО тивления при увеличении температурысреды происходит увеличение напряжения питания тензорезистора 5 (илинагревательного тока).Известно, цто температурная ха рактеристика коэффициента пьезосопротивления изменяется в широкихпределах в зависимости от концентрации легирующей примеси пьезорезистора 5 и возможен выбор такого удель.фО ного сопротивления тензорезистораа значит и концентрации легирующей примеси, при которой будет автоматически выполняться компенсацияуменьшения коэффициента пьезочувст 4 вительности повышением напряженияпитания при увеличении температурысреды,.При уменьшении температуры среды, схема работает аналогично: уве личивается коэффициент пьезосопро,тивления - уменьшается пропорционально напРЯжение питаниЯ Е пцт, ПРиизменении скорости потока (как ужебыло показано) для обеспечения по 1 стоянного перегрева изменяется величина нагревательного тока,Изменение величины сигнала поскорости потока среды на выходе 33оставитель Н. Андре ехред А.Ач Редактор Т.Парфенов орректор О.Бил Тираж 643 НИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открыти 13035, Иосква, Ж"35, Раушская на. 4 Л жгород, ул. Проектная ПП "Патент Фил 7 10290 диференциального усилителя 22 влечет за собой изменение входного сигнала на Затворе полевого транзистора 32, что приводит к измерению сопротивления сток " исток полевого транзистора и, следовательно изменению коэф-:фициента усиления дополнительного дифференциального усилителя 30.Таким образом, помимо точного из", ,мерения екорости потока среды и рас 10 хода при известном сечении измери 11 8тельного участка при использованиипредлагаемого устройства возможнополучение дополнительной информациио давлении, которая не зависит отизменения температуры среды, Такжеисключается влияние измеряемой скорости потока среды на выходной сигналпо давлению за счет изменения нагревательного тока при поддержании пб-.стоянным перегрева пластины 1; надтемпературой среды.