DD236991A1

DD236991A1 - Schaltungsanordnung fuer piezoresistive drucksensoren mit korrekturverhalten

Info

Publication number: DD236991A1
Application number: DD27592285A
Authority: DD
Inventors: Manfred Kuehn; Fritz Schroeter; Reinhard Mueller
Original assignee: Elektro App Werke Veb
Priority date: 1985-05-03
Filing date: 1985-05-03
Publication date: 1986-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung fuer einen piezoresistiven Drucksensor, der zur Korrektur des Messgasdruckeinflusses auf das elektrische Ausgangssignal von Gasanalysatoren eingesetzt werden kann. Ziel der Erfindung ist es, das vom Messgasdruck beeinflusste Ausgangssignal von Gasanalysatoren mit geringem Aufwand zu korrigieren, wobei die Aufgabe darin besteht, eine Schaltung anzugeben, mit deren Hilfe durch Einbeziehen von dehnungsabhaengigen Widerstaenden auf einer messgasdruckbeaufschlagten Membran das druckbeeinflusste Ausgangssignal eines Gasanalysators korrigiert werden kann. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass die zu korrigierende Spannung einmal auf beide Eingaenge eines als Differenzverstaerker ausgebildeten Operationsverstaerkers geschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Eingang einer Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstaerkers verbunden ist und zum anderen auf einen weiteren Eingang der Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstaerkers geschaltet ist. Die vier verstaerkungsbestimmenden Widerstaende des Differenzverstaerkers sind dehnungsabhaengig und bewirken bei Druckaenderung eine entsprechende Korrekturspannung am Ausgang des Differenzverstaerkers. Fig. 1

Description

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zu korrigierende Spannung einmal auf beide Eingänge eines als Differentialverstärker ausgeführten Operationsverstärkers geschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Eingang einer Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers verbunden ist und zum anderen auf einen weiteren Eingang der Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers geschaltet ist, wobei die vier verstärkungsbestimmenden Widerstände des Differenzverstärker:, dshnungsabhängig sind und der am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers liegende Widerstand sowie der vom nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers nach Masse führende Widerstand so auf der Membran angeordnet sind, daß ihre Widerstandswerte mit steigendem Druck kleiner werden, während der am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers führende Widerstand so auf der Membran angeordnet sind, daß ihre Widerstandswerte mit steigendem Druck größer werden. Damit wird erreicht, daß das durch Druckabweichungen veränderte Ausgangssignal des Gasanalysators eine gleiche der Änderung entgegenwirkende Korrektur erfährt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: elektrische Schaltung des piezoresistiven Drucksensors

Fig. 2: Membran des piezoresistiven Drucksensors mit vier dehnungsabhängigen Widerständen Fig.3: piezoresistiver Drucksensor — Gesamtdarstellung.

In Fig. 1 ist der Signalweg vom Eingang eines optischen Gasanalysators 1 bis zum Ausgang eines diesem nachgeschalteten piezoresistiven Drucksensors 4 dargestellt. Der optische Gasanalysator 1 wandelt die Meßgröße Meßgaskonzentration c in ein Ausgangssignal U_c;p, das nach den Gesetzen der kinetischen Gastheorie dem in der Meßküvette des optischen Gasanalysators 1 herrschenden Meßgasdruck ρ proportional ist. Druckabweichungen Δρ entstehen durch Veränderungen des Durchflusses des Meßgases durch die Meßküvette und durch Veränderungen des atmosphärischen Druckes. Der hierdurch entstehende Meßfehler kann durch Nachschalten eines mit dem Meßgasdruck ρ beaufschlagten piezoresistiven Drucksensors 4 eliminiert werden. Die Übertragungsfunktion der elektrischen Schaltung 2 (Fig. 1) ist so gestaltet, daß sie den druckbedingten Fehler des optischen Gasanalysators 1 aufhebt. Hierzu ist die zu korrigierende Spannung U_c;p einmal auf beide Eingänge eines als Differenzverstärker ausgeführten Operationsverstärkers OV₁ geschaltet, dessen Ausgang mit einem Eingang einer Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers OV₂ verbunden ist und zum anderen auf einen weiteren Eingang der Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers OV₂. Die vier verstärkungsbestimmenden Widerstände R-i bis R₄ des als Differenzverstärker ausgelegten Operationsverstärkers OV₁ sind dehnungsabhängig ausgeführt und so auf der Membran 3 angeordnet, daß die Widerstandswerte des am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers OV₁ liegenden Widerstandes R₁ und des vom nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers OV₁ nach Masse führenden Widerstandes R₄ mit steigendem Druck auf die Membran 3 in ihren Werten kleiner werden, während die Widerstandswerte des am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers OV₁ liegenden Widerstandes R₃ sowie der vom invertierenden Eingang zum Ausgang des Differenzverstärkers OV₁ führende Widerstand R₂ mit steigendem Druck auf die Membran 3 in ihren Werten größer werden. Die Widerstände R₅, R₆ und R₇ bestimmen die Verstärkung der Addierschaltung im Ausgangs-Operationsverstärker OV₂. Die Anschlußpunkte der auf der Membran 3 angeordneten dehnungsabhängigen Widerstände R₁ bis R₄ sind mit den Buchstaben A und B, dem Spannungssymbol U_c;p und Masse bezeichnet

Aus dieser Schaltungsanordnung resultiert folgende Signalverarbeitung: Das elektrische Ausgangssignal des optischen Gasanalysators 1 sei U_c;p

Po sei der Normaldruck in der Meßküvette, die korrigierte Ausgangsspannung U₀ ist dann

C , p

^ J

Die dehnungsabhängigen Widerstände R₁, R₂, R₃, R₄ haben beim Normaldruck p₀ einheitlich den Wert R₀.

Die Widerstände R₁ bis R₄ werden durch die unterschiedliche Lage auf der druckbeaufschlagten, gegen Vakuum gedrückten Membran 3 unterschiedlich beeinflußt. Die Widerstände R₂ und R₃ liegen annähernd in der Mitte der Membran 3, sie werden gedehnt. Di Widerstände R₁ u.d R₄ liegen am Rand der Membran 3, sie werden gestaucht.

Der Druckeinfluß auf die dehnungsabhängigen Widerstände ist wie folgt:

τ> — ρ C Λ J. "\ — τ? c a

"² ~° " ^ιίο = ^Εο ⁽ ^Λ *'"-% > ^ρο

und Λ R" 5

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¹¹O ^U " ;^;U ^; - -Ό ⁽ ' "^Α

'Ό ^u ^O ftir^?^ und4

Die piezoresistiven Koeffizienten α und /3 können je nach Lage der Widerstände unterschiedlich groß sein. In die Gleichung 1 eingesetzt ergibt sich

¹— -J

Die Korrektur ist mit den: Ergebnis

c ^c'Pq % % ^O

C C₅P₀ χίς /_ Po J

3 ausreichend erreicht, wenn ^ = d^ + _yi ist.

Mit po = 1 bar ist die Korrektur

bei einer Druckabweichung um 10m bar mit einem Fehler der Größenordnung 0,1 %₀ bei einer Druckabweichung um 30m bar mit einem Fehler der Größenordnung 1%o bei einer Druckabweichung um 100m bar mit einem Fehler der Größenordnung 1 %o erreicht.

Claims

-1- 759 Erfindungsanspruch:

Schaltungsanordnung für piezoresistive Drucksensoren mit Korrekturverhalten bei Gasanalysatoren, bei denen vier dehnungsabhängige Widerstände auf einer mit einem Meßgasdruck beaufschlagten Membran befestigt sind, gekennzeichnet dadurch, daß die zu korrigierende Spannung (U_c;p) einmal auf beide Eingänge eines als Differenzverstärker ausgeführten Operationsverstärkers (OV₁) geschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Eingang einer Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers (OV₂) verbunden ist und zum anderen auf einen weiteren Eingang der Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers (OV₂) geschaltet ist, wobei die vier verstärkungsbestimmenden Widerstände (Ri bis R₄) des Operationsverstärkers (OVj) dehnungsabhängig sind und der am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OV₁) liegende Widerstand (Ri) sowie der vom nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OV₁) nach Masse führende Widerstand (R₄) so auf der Membran (3) angeordnet sind, daß ihre Widerstandswerte mit steigendem Druck kleiner werden, während der am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OVi) liegende Widerstand (R₃) sowie der vom invertierenden Eingang zum Ausgang des Operationsverstärkers (OV₁) führende Widerstand (R₂) so auf der Membran (3) angeordnet sind, daß ihre Widerstandswerte mit steigendem Druck größer werden.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für piezoresistive Drucksensoren mit Korrekturverhalten, die zur Korrektur des Meßgasdruckeinflusses auf das elektrische Ausgangssignal von Gasanalysatoren einsetzbar sind. Die Schaltungsanordnung eignet sich besonders gut in Verbindung mit piezoresistiven Elementen in Halbleiter- und Dickschichttechnik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Einrichtungen bekannt, mit deren Hilfe das Ausgangssignal von optischen Gasanalysatoren über eine Potentiometerschaltung manuell korrigiert wird, nachdem der barometrische Wert an einem Barometer ermittelt worden ist (US-PS 4069420). Eine solche Korrektureinrichtung ist für die Prozeßüberwachung ungeeignet, da sie ein zu großen Wartungsaufwand erfordert.

Weiterhin sind Einrichtungen bekannt, bei denen der dem Meßgasdruck proportionale Einfluß auf das Ausgangssignal dadurch eliminiert wird, daß der Meßgasdruck mit Hilfe eines Drucksensors erfaßt wird und das dem Druck proportionale Sensorsignal in einer Dividierschaltung mit dem zu korrigierenden Ausgangssignal verrechnet wird. Die Einrichtung eignet sich besonders für den Fall, daß eine Recheneinrichtung bereits vorhanden ist und mitgenutzt wird. Anderenfalls ist der Aufwand relativ groß. Weiterhin sind Einrichtungen bekannt, bei denen derfürdie Korrektur des Meßgasdruckeinflusses verwendete Drucksensor und die Korrekturschaltung auf das Referenzspannungsglied geschaltet sind und dabei die Referenzspannung druckproportional beeinflussen, während der Ausgang des Referenzspannungsgliedes dem Regelverstärker sowie dem Ausgangsverstärker eines Gasanalysators mit Regelung des Pilotsignals zugeführt wird (WP G 01 N / 254545.0). Diese Einrichtungen sind speziell in Meßeinrichtungen mit Regelung des Pilotsignals aber sonst nicht anwendbar. Der Einsatz ist auch nur dann lohnend, wenn mehrere Meßsysteme gleichzeitig korrigiert werden müssen. Weiterhin ist bekannt, daß verschiedentlich auf die Korrektur des Ausgangssignals ganz verzichtet wird und die Gasanalysatoren einen den Druckschwankungen entsprechenden Zusatzfehler aufweisen (Infralyt, VEB Junkalor, DDR; Uras, H.u.B., BRD).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, das vom Meßgasdruck beeinflußte Ausgangssignal von Gasanalysatoren mit geringem Aufwand zu korrigieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die schnelle Entwicklung der Sensortechnik allgemein, aber ganz besonders die der für die Druckmeßtechnik angewendeten Technologien zur Erzeugung piezoresistiver Elemente (DMS, Dünnfilm-, Halbleiter- und Dickschichtwiderstände) eröffnen immer wieder neue Anwendungsmöglichkeiten. Eine solche Möglichkeit stellt auch ein piezoresistiver Drucksensor mit Korrekturverhalten dar, der in sich den bisher üblichen Drucksensor und die Verknüpfungsschaltung für die zu korrigierende Spannung vereinigt. Für die Ausführung eines piezoresistiven Drucksensors bietet sich ganz besonders die Halbleiter- und Dickschichttechnik mit den dort erreichten hohen K-Faktoren (Verhältnis der relativen Änderung des dehnungsabhängigen Widerstandes zur relativen Längenänderung) an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen piezoresistiven Drucksensor eine Schaltung zu schaffen, mit deren Hilfe durch Einbeziehen von dehnungsabhängigen Widerständen auf einer druckbeaufschlagten, gegen Vakuum drückenden Membran das druckbeeinflußte Ausgangssignal eines Gasanalysators korrigiert werden kann.