Конструктивное выполнение полупроводниковых тензорезисторов аналогично тонкопленочным тензорезисторам (рис. 11, а). Те же техно­логические приемы применяются и при изготовлении полупроводнико­вых тензорезисторов. При этом используются два основных способа:

1. полупроводниковый кремниевый тензорезистор наносится на изоли­рующую сапфировую подложку (КНС структура);

2. полупроводниковый кремниевый тензорезистор с р-проводимостью наносится на кремниевую подложку с n-проводимостью (КНК струк­тура).

В зависимости от конструктивного исполнения полупроводниковые тензорезистивные преобразователи применяются для измерения абсолют­ного и избыточного давления (разряжения) и разности давлений.

Преимуществами тензорезистивных полупроводниковых преобразо­вателей является: высокий коэффициент тензочувствительности; воз­можность миниатюризации чувствительного элемента; непосредственное применение достижений современной микроэлектроники.

К недостаткам полупроводниковых преобразователей относятся: сложность технологии изготовления ЧЭ, что неприемлемо при мелкосе­рийном производстве; хрупкость ЧЭ, что ограничивает их применение в условиях сотрясений, скачков давления; относительно большое влияние температуры на коэффициент тензочувствительности. Последнее особен­но важно для тензорезисторов, основанных на КНК структурах, макси­мальная температура эксплуатации которых ограничена 120°С.

Манометры с силовой компенсацией

Все рассмотренные выше деформационные манометры основаны на методе прямого преобразования давления (см. рис. 7, а). Метод урав­новешивающего преобразования давления (см. рис. 7, б), хотя и менее распространен в технике измерения давления, но продолжает сохранять заметную роль в некоторых отраслях промышленности, в которой на­ходят применение манометры с силовым уравновешиванием двух типов: уравновешивание измеряемого давления пневматическим давлением (пневматическая силовая компенсация); уравновешивание измеряемого давления электромагнитными силами (электромагнитная силовая ком­пенсация).

При этом во время уравновешивания силы, возникающей в первич­ном ЧЭ под действием измеряемого давления, силой, развиваемой цепью обратной связи, происходит незначительное перемещение первичного ЧЭ, независимо от его жесткости, что позволяет в широких пределах варьи­ровать чувствительность измеряемой системы.

1.3.5. Перспективы развития деформационных манометров

По принципу действия деформационные манометры требуют для своей градуировки применения методов и средств, основанных на абсо­лютных методах воспроизведения давления. Повышение их точности, в принципе, ограничено точностью применяемых при градуировке жид­костных и поршневых эталонов, которая характеризуется погрешностя­ми порядка 1 • 10-5 - 5 • 10-5. Это позволило уже в настоящее время создать образцовые деформационные манометры, погрешности которых не превышают 2,5• 10-4 - 5 • 10-4 (0,025—0,05 %).

Одно из важнейших направлений развития точных деформационных манометров — разработка портативных образцовых переносных мано­метров, пригодных для контроля рабочих средств измерений на месте их эксплуатации.

Переносной манометр содержит переключатели единиц измерений и диапазонов измерений, ручной насос, регулятор объема, корректор ну­ля и штуцер для подключения измеряемого давления. Питание прибора осуществляется от батареек напряжением 12В или от внешнего источни­ка питания.

Однако основное назначение деформационных манометров состоит в удовлетворении потребностей различных отраслей промышленности в измерении давления, так как в каждой отрасли существуют свои тре­бования к условиям эксплуатации, формам представления информации, точности и надежности, необходимым габаритным размерам и массе, стоимости приборов и пр. Все это требует совершенствования различных параметров и свойств деформационных манометров, специфика которых определяется их на­значением и принципом действия.

Деформационные манометры, основанные на электрических мето­дах преобразования (индуктивные, емкостные и др.), обеспечивая доста­точно высокую точность, нуждаются в совершенствовании методов защи­ты их электрических цепей от воздействия внешних электрических и магнитных полей, особенно при необходимости размещения на расстоя­нии УЧЭ и электроники.

Дальнейшее развитие получают металлические и полупроводниковые тензорезистивные деформационные манометры.

Технология изготовления кремниевых полупроводниковых тензодатчиков в настоящее время отработана достаточно хорошо и ее совер­шенствование будет продолжаться по мере развития микроэлектроники, Однако при температуре выше 200°С полупроводниковый кремний те­ряет свою тензочувствительность, превращаясь в обычный проводник, что не допускает их применение в условиях высоких температур (внутри работающих автомобильных и реактивных двигателей, в буровых уста­новках глубокого бурения и пр.). Весьма перспективна для этих целей замена кремния на карбид кремния (карборунд). В настоящее время уже созданы транзисторы из карбида кремния на подложке из его окислов, нанесенной на металлическую мембрану. Полупроводниковые свой­ства такого тензорезистора при температуре 650°С аналогичны свойст­вам обычного кремниевого тензорезистора при температуре 20°С.

В настоящее время проводятся также разработки полупроводнико­вых тензорезисторов, предназначенных для работы в условиях низких температур (сверхпроводящие магнитные системы термоядерных уста­новок, криогенные накопители энергии, реактивные двигатели на сжи­женном водороде и пр.) в диапазоне от 2 до 100К (от -271 до -173° С). В этих условиях чистые полупроводники превращаются в диэлектрики. Введение в кремний примесей позволяет сохранить тензочувствитель­ность, хотя она существенно снижается. В нашей стране разработан дат­чик такого типа.

Глава 2. МЕТОДЫ КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ

В отличие от методов прямых измерений давления, на которых ос­нованы рассмотренные ранее жидкостные, поршневые и деформацион­ные манометры, методы косвенных базируются на измерении физичес­ких величин (температуре, объеме), значения которых связаны с давле­нием известными физическими закономерностями, или на изменении фи­зических свойств измеряемой среды под действием давления (теплопро­водности, вязкости, электропроводности и пр.).

Косвенные методы, как правило, находят применение в тех случаях, когда прямые методы изме­рения давления трудно осуществимы, например, при измерении весьма малых давлений (вакуумные измерения) или при измерениях сверхвы­соких давлений.

2.1. Косвенные методы, основанные на уравнении состояния идеального газа

Связь между важнейшими термодинамическими параметрами газа определяется соотношением

pV = const, (8)

где р — абсолютное давление газа; Т — абсолютная температура газа; V — объем, занимаемый газом.