DD236992A1

DD236992A1 - Schaltungsanordnung fuer piezoresistive drucksensoren mit korrekturverhalten

Info

Publication number: DD236992A1
Application number: DD27592385A
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 piezoresistive Drucksensoren, die zur Korrektur des Messgasdruckeinflusses auf das elektrische Ausgangssignal von Gasanalysatoren eingesetzt werden. Ziel der Erfindung ist es, das vom Messgasdruck beeinflusste Ausgangssignal von Gasanalysatoren mit geringem Aufwand zu korrigieren, wobei die Aufgabe darin besteht, fuer einen piezoresistiven Drucksensor eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit deren Hilfe durch Einbeziehen von dehnungsabhaengigen Widerstaenden auf einer vom Messgasdruck beaufschlagten Membran das druckbeeinflusste Ausgangssignal eines Gasanalysators zu korrigieren. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass die zu korrigierende Spannung einmal mit Hilfe des mit den spannungsabhaengigen Widerstaenden R1 und R2 beschalteten Eingangs-Operationsverstaerkers OV1 und der Spannungsteilung an den dehnungsabhaengigen Lastwiderstaenden R3 und R4 korrigiert und nicht invertiert und zum anderen unkorrigiert und invertiert einer Addierschaltung eines Ausgangs-Operationsverstaerkers OV3 zugefuehrt wird. Fig. 1

Description

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zu korrigierende Spannung auf den Eingang eines nicht invertierenden Eingangs-Operationsverstärkers geschaltet ist, dessen verstärkungsbestimmende Widerstände dehnungsabhängig sind und so auf der druckbeaufschlagten Membran angeordnet sind, daß der am Ausgang des Eingangs-Operationsverstärkers liegende Widerstand bei steigendem Druck auf die Membran in seinem Wert abnimmt, während der nach Masse führende Widerstand bei steigendem Druck in seinem Wert zunimmt und dessen Ausgang mit zwei weiteren in Reihe geschalteten dehnungsabhängigen Widerständen belastet ist, deren Anordnung auf der druckbeaufschlagten Membran so gewählt ist, daß der am Ausgang des Eingangs-Operationsverstärkers liegende Widerstand bei steigendem Druck auf die Membran in seinem Wert zunimmt, während der nach Masse führende Widerstand mit steigendem Druck in seinem Wert abnimmt, wobei der Abgriff zwischen den beiden Lastwiderständen auf einen Eingang einer Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers geschaltet ist und daß der invertierende Eingang des nichtinvertierenden Eingangs-Operationsverstärkers auf den Eingang eines invertierenden Operationsverstärkers geschaltet ist, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang der Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers verbunden ist. Mit dieser Schaltungsanordnung wird erreicht, daß durch die mit steigendem Druck bewirkte Verringerung der Abgriffspannung zwischen den beiden Lastwiderständen des Eingangs-Operationsverstärkers und die Addition der invertierten Ursprungsspannung mit der Abgriffspannung im Ausgangsverstärker eine relative Vergrößerung des korrigierenden Änderungsbetrages erzielt wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: elektrische Schaltung des piezoresistiven Drucksensor

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_{o; p}, das nach den Gesetzen der kinetischen Gastheorie dem in der Meßküvette herrschenden Meßgasdruck ρ proportional ist. Druckabweichungen Δ ρ entstehen durch Veränderungen des Durchflusses des Meßgases durch die Meßküvette und durch Veränderungen des atmosphärischen Druckes. Der hierdurch entstehende Meßfehler kann durch Nachschalten des 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} auf den Eingang eines nicht invertierenden Eingangs-Operationsverstärkers OV₁ geschaltet, dessen verstärkungsbestimmende Widerstände Ri; R₂ dehnungsabhängig und so auf der druckbeaufschlagten Membran 3 angeordnet sind, daß der am Ausgang des Eingangs-Operationsverstärkers OV₁ liegende Widerstand R₁ mit steigendem Druck auf die Membran 3 in seinem Wert abnimmt, während der vom invertierenden Eingang nach Masse führende Widerstand R₂ mit steigendem Druck auf die Membran 3 in seinem Wert zunimmt und dessen Ausgang, an dem die Spannung U_a1 anliegt, mit zwei weiteren in Reihe geschalteten dehnungsabhängigen Widerständen R₃; R₄ belastet ist, deren Anordnung auf der Membran 3 so gewählt ist, daß der am Ausgang des Eingangs-Operationsverstärkers OV₁ liegende Widerstand R₃ mit steigendem Druck auf die Membran 3 in seinem Wert zunimmt, während der nach Masse führende Widerstand R₄ mit steigendem Druck in seinem Wert abnimmt. Der Abgriff zwischen den beiden Lastwiderständen R₃; R₄, an dem die Spannung U₁ anliegt, ist auf einen Eingang einer Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers OV₃ geschaltet und der invertierende Eingang des nichtinvertierenden Eingangs-Operationsverstärkers OV₁, an dem die Spannung U_{c; p} anliegt, ist auf den Eingang eines invertierenden Operationsverstärkers OV₂ geschaltet, dessen Ausgang, an dem die Spannung U₂ anliegt, mit dem zweiten Eingang der Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers OV₃ verbunden ist. Die Widerstände R5 und R₆ sind dehnungsunabhängig und bestimmen die Verstärkung des Operationsverstärkers OV₂. Die Widerstände R₇, R₈ und R₉ bestimmen die Verstärkung der Addierschaltung im Ausgangs-Operationsverstärker OV₃. Aus dieser Schaltungsanordnung resultiert folgende Signalverarbeitung: Das elektrische Ausgangssignal des optischen Gasanalysators 1 sei U_{c; p}

Po soil den Normaldruck charakterisieren, Δρ ist die Abweichung vom Normaldruck: Δρ = ρ — p_o , Die zu korrigierende Spannung U_{c; p} wird auf den Eingang eines nichtinvertierenden Operationsverstärkers OV1 als Eingangsverstärker gegeben. Damit ist die für den Ausgang des optischen Gasanal·, atorsi gegebene belastung verschwindend klein. Die verstärkungsbestimmenden Widerstände R₁ und R₂ sowie die in Reihe geschalteten Lastwiderstände R₃ und R₄ des Eingangs-Operationsverstärkers OV₁ betragen beim Normaldruck p₀ einheitlich den Wert R₀.

Die dehnungsabhängigen Widerstände R₁; R₂; R₃; 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. Die Widerstände R₁ und R₄ liegen am Rand der Membran 3. Sie werden gestaucht. Der Druckeinfluß auf die dehnungsabhängigen Widerstände R₁ bis R₄ ist

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— ; = R_n C ι -/5—— ; —r^—

ι ό

O ^w -O für Λ R₀ und ^H,

0 /j

/J =

4P Pn

"0 ' ' für /\ R₁ und

Die piezoresistiven Koeffizienten α und β können je nach Lage der Widerstände R₁ bis R₄ unterschiedlich groß sein. Am Abgriff des aus den Widerständen R₃ und R₄ bestehenden Spannungsteilers beträgt die Spannung

Die Spannung U_{c; p} am invertierenden Eingang des nichtinvertierenden Eingangsverstärkers OV₁ beträgt mit

vernachlässigbarem Fehler U_c;p.

Somit wird die Ausgangsspannung U₂ des invertierenden Operationsverstärkers OV₂ Die korrigierte Spannung U_c am Ausgang des piezoresistiven Drucksensors 4 beträgt

c c,p₀ p₀ ι Λ,₇ ι

Ό - ;c;p₀ — · P₀ ; / H₇ — _Γ ^/P₀ - R₈ H

TT TT ' f ί j_ -^- P ^ / y^! r λ (V ,Vi^PI y ^ö

U_n = - U_n.„ C 1 + -— ) / ^- ( 1 ~{oC +15j ^ - tr^ ir

H R mit = 1 - Co^ + P) wird

= -n_OSPo

U - - U

₁ _

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Mit Po = 1 bar ist die Korrektur bei einer Druckabweichung um 10 m bar mit einem Fehler der Größenordnung 0,1 %.

bei einer Druckabweichung um 30m bar mit einem Fehler der Größenordnung 1 %.

bei einer Druckabweichung um 100 m bar mit einem Fehler der Größenordnung 1 % erreicht.

Aus den gegebenen piezoresistiven Koeffizienten α und β lassen sich die notwendigen Widerstände R₅; R₆; R₇; R₈ und R₉ bestimmen.

Claims

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Erfindungsanspruch:

Schaltungsanordnung für piezoresistive Drucksensoren mit Korrekturverhalten bei Gasanalysatoren, bei denen vier dehnungsabhängige Widerstände auf einer mit dem Meßgasdruck beaufschlagten Membran befestigt sind, gekennzeichnet dadurch, daß die zu korrigierende Spannung (U_{c; p}) auf den Eingang eines nichtinvertierenden Eingangs-Operationsverstärkers (OVi) geschaltet ist, dessen verstärkungsbestimmende Widerstände (R₁; R₂) dehnungsabhängig und so auf der druckbeaufschlagten Membran (3) angeordnet sind, daß der am Ausgang des Eingangs-Operationsverstärkers (OV₁) liegende Widerstand (R-i) mit steigendem Druck auf die Membran (3) in seinem Wert abnimmt, während der vom invertierenden Eingang nach Masse führende Widerstand (R₂) mit steigendem Druck in seinem Wert zunimmt und dessen Ausgang mit zwei weiteren in Reihe geschalteten dehnungsabhängigen Widerständen (R3, R₄) belastet ist, deren Anordnung auf der Membran (3) so gewählt ist, daß der am Ausgang des Eingangs-Operationsverstärkers (OV,) liegende Widerstand (R₃) mit steigendem Druck auf die Membran (3) in seinem Wert zunimmt, während der nach Masse führende Widerstand (R₄) mit steigendem Druck in seinem Wert abnimmt, wobei der Abgriff zwischen den beiden Lastwiderständen (R₃, R₄) auf einen Eingang einer Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers (OV₃) geschaltet ist, und daß der invertierende Eingang des nicht invertierenden Eingangs-Operationsverstärkers (OV₁) auf den Eingang eines invertierenden Operationsverstärkers (OV₂) geschaltet ist, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang der Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers (OV₃) verbunden ist.

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. Auf Grund des hohen Eingangswiderstandes der Schaltung werden an die Belastbarkeit der Geberschaltung keinerlei Bedingungen gestellt.

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 einen 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 Korrekturdes Meßgasdruckeinflusses verwendete Drucksensorund 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 PilotsignaIs 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, das vom Meßgasdruck beeinflußte Ausgangssignal von Gasanalysatoren mit geringem Aufwand zu korrigieren.

Darleguno 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 Schaltungsanordnung zu schaffen, mit deren Hilfe durch Einbeziehen von dehnungsabhängigen Widerständen auf einer druckbeaufschlagten, gegen Vakuum gedrückten Membran das druckbeeinflußte Ausgangssignal eines Gasanalysators korrigiert werden kann.